กราฟีนวัสดุแข็งแรงที่สุดในโลก !

วัสดุมหัศจรรย์ที่เรียกกันว่ากราฟีน (graphene) ได้ถูกวิจัย และค้นพบมาได้สักพักแล้ว 

ถูกค้นพบตั้งแต่เมื่อปีพ.ศ. 2547 โดยผู้ค้นพบทั้งสองท่านนั้นเป็นนักฟิสิกส์แท้ๆ คนแรกมีชื่อว่า Andrei Geim (ออกเสียงว่า อังเดร เกม) ส่วนคนที่สองมีชื่อว่า Konstantin Novoselov ผู้ค้นพบทั้ง 2 ท่านก็ได้รับรางวัลโนเบลไปแล้วเมื่อปีพ.ศ. 2553 ในวันนี้จึงอยากมาดูว่าหลังจากผ่านไป 15 ปี ได้มีการนำกราฟีนไปใช้ประโยชน์ในแง่มุมใดบ้างแล้ว

กราฟีนเป็นผลึก 2 มิติของคาร์บอนบริสุทธิ์ หรืออาจพูดได้อีกอย่างว่าเป็นแผ่นคาร์บอนบริสุทธิ์ที่บางมากๆ มีความหนาเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมคาร์บอนเพียง 1 ตัวเท่านั้น   ในตอนเริ่มแรกแผ่นกราฟีนที่ทำได้ยังเป็นเพียงเกล็ดชิ้นเล็กๆมีขนาดไม่เกิน 1 ตร. มิลลิเมตรเท่านั้น แต่ปัจจุบันมีวิธีการใหม่ๆที่จะผลิตแผ่นกราฟีนขนาดพื้นที่ระดับ 0.5 x 0.5 ตร. เมตร หรือใหญ่กว่าได้แล้ว

คุณสมบัติเด่นของกราฟีน

กราฟีนได้รับการยกย่องว่าเป็นวัสดุมหัศจรรย์เพราะมีคุณสมบัติดีเด่นหลายประการรวมอยู่ในตัวเดียวกัน โดยสามารถสรุปคุณสมบัติพิเศษได้ ดังนี้ 

1. กราฟีนเป็นวัสดุที่แข็งแรงที่สุดเท่าที่เคยค้นพบกันมา มีค่าความต้านแรงดึง (tensile strength) สูงถึง 130,000,000,000 ปาสคาล (ของเหล็กกล้าเบอร์ A36 มีค่า 400,000,000 ปาสคาล และของเส้นใยสังเคราะห์เคฟลาร์ (Kevlar) มีค่า 375,700,000 ปาสคาล)

2. กราฟีนเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม ทั้งนี้เพราะอะตอมคาร์บอนที่มีจำนวนอิเล็กตรอนทั้งสิ้น 6 ตัวนั้น สองตัวแรกจะอยู่ที่เชลล์ (shell) ในสุดใกล้นิวเคลียส ส่วนอีก 4 ตัวที่เหลืออยู่ที่เชลล์นอกห่างออกมา ซึ่งอิเล็กตรอนทั้ง 4 ตัวนี้พร้อมเสมอที่จะเข้ามีพันธะเคมีกับอะตอมตัวอื่น แต่ดังกล่าวแล้วข้างต้นว่าในกราฟีนนั้นอะตอมคาร์บอน 1 ตัวจะมีพันธะเคมีกับอะตอมคาร์บอนอีก 3 ตัวในระนาบ 2 มิติ ดังนั้นจึงเหลืออิเล็กตรอนอีก 1 ตัวในมิติที่สาม (ด้านบนหรือล่างของระนาบ 2 มิติ) เรียกว่า พายอิเล็กตรอน (π electron) ที่ไม่มีพันธะกับใคร

จึงสามารถเคลื่อนที่ไปไหนมาไหนได้อย่างอิสระ จากการทดลองชั้นต้นพบว่าความสามารถในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน (electron mobility) ในกราฟีนมีค่าไม่ต่ำกว่า 15,000 cm2 / (V.s) แต่ในทางทฤษฎีประเมินกันว่ามีค่าได้ถึง 200,000 cm2 / (V.s)   (เปรียบเทียบกับความสามารถในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในทองแดงที่มีค่า 30 cm2 / (V.s))

 
3. กราฟีนมีค่าอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตร (surface-to-volume ratio) ที่สูงมาก นั่นคือมีขนาดพื้นที่ผิวที่ใหญ่มาก หรือพูดอีกอย่างว่าเป็นแผ่นที่บางมากๆ (บางกว่าเส้นผมประมาณ 1 ล้านเท่า) และเพราะบางมากจึงโปร่งใสมาก

4. กราฟีนแต่ถึงแม้จะบางมากกลับมีความสามารถในการดูดกลืนแสงสีขาว (white light) ได้สูงถึง 2.3 เปอร์เซ็นต์  ทั้งนี้ก็เพราะบทบาทของพวกอิเล็กตรอนอิสระในกราฟีนนั่นเอง ต่างกับในเพชรที่ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระพวกนี้จึงดูดกลืนแสงได้น้อยกว่า นอกจากว่าโฟตอนของแสงจะมีพลังงานสูงมากพอ 

5. กราฟีนเป็นวัสดุที่เบาที่สุดในโลก ขนาดพื้นที่ 1 ตร. เมตร หนักเพียงประมาณ 0.77 มิลลิกรัม (แผ่นกระดาษขนาดพื้นที่เท่ากัน จะหนักกว่าประมาณ 100,000 เท่า)

6. กราฟีนเป็นตัวนำความร้อนที่ยอดเยี่ยมที่สุดกว่าวัสดุอื่นใดที่มีอยู่ขณะนี้

7. กราฟีนไม่เป็นพิษกับร่างกายมนุษย์ (biocompatible) แถมมีฤทธิ์ป้องกันการก่อตัวของแบคทีเรียได้ ฯลฯ

ทีมวิจัยกว่างซีสร้าง “ถนนวัสดุกราฟิน” ที่แรกในโลก

ทีมนักวิจัยจากศูนย์นวัตกรรมร่วมด้านวัสดุพลังงานหมุนเวียน (Collaborative Innovation Center of Renewable Energy Materials) ของมหาวิทยาลัยกว่างซี ประสบความสําเร็จในการพัฒนาวัสดุกราฟีน (Graphene) สําหรับการปูพื้นผิวสะพานได้สําเร็จเป็นที่แรกของโลก

“กราฟีน” เป็นวัสดุใหม่แห่งโลกอนาคตที่กําลังได้รับความสนใจจากแวดวงวิทยาศาสตร์ทั่วโลก ด้วยคุณสมบัติอันน่าพิศวงของกราฟีนที่มีความแข็งแรงมากกว่าเพชร 100 เท่า เป็นตัวนําไฟฟ้าและความร้อน มีความโปร่งแสง มีความยืดหยุ่น และมีน้ำหนักเบา ทําให้นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกเร่งพัฒนางานวิจัยเพื่อนําวัสดุดังกล่าวมาประยุกต์ใช้กับสิ่งของรอบตัวทั้งด้านพลังงาน เทคโนโลยีชีวภาพ ทรัพยากรน้ำอิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยีอินเทอร์เน็ต อากาศยานและอวกาศ และรถยนต์

เมื่อปี 2552 ได้มีการเปิดใช้งานสะพานหนานหนิง ซึ่งเป็นสะพานคอนกรีตรูปกล่อง ด้วยลักษณะจําเพาะของพื้นผิวสะพานที่มีความยืดหยุ่นสูง มีความอ่อนไหวต่ออุณหภูมิ และแอสฟัลต์คอนกรีตกับโครงสร้างเหล็กยึดเกาะกันยากทําให้เทคนิคการปูพื้นผิวสะพานเป็นโจทย์ที่มีความยากระดับโลกมาโดยตลอด หลังจากเปิดใช้งานมานานเกือบ 10 ปี สะพานแห่งนี้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น รอยแตกร้าว พื้นผิวสึกกร่อน เป็นรอยร่องล้อ และเกิดการผิดรูป จึงจําเป็นต้องทําการปิดซ่อมครั้งใหญ่ ซึ่งไฮไลท์ของการปิดซ่อมบํารุงของสะพานครั้งนี้ คือ การใช้แอสฟัลต์ที่ปรับปรุงคุณภาพด้วยวัสดุยางผสมกับวัสดุกราฟีน ซึ่งเป็นผลงานวิจัยและพัฒนาร่วมกันระหว่างทีมวิจัยของ ศ.ดร. เสิ้น เผยคัง (Shen Peikang) ศูนย์นวัตกรรมร่วมฯ มหาวิทยาลัยกว่างซีกับ บริษัท Guangxi Zhenglu Machinery Technology Co., Ltd.

การนำกราฟีนไปใช้ในอุตสาหกรรม

1. ยางล้อจักรยานผสมกราฟีน

บริษัท Vittoria ซึ่งเป็นผู้ผลิตยางล้อจักรยานชั้นนำของโลกสัญชาติอิตาลี เป็นผู้บุกเบิกในการนำกราฟีนมาใช้ในอุตสาหกรรมรถจักรยาน โดยกราฟีนซึ่งบางมากจะเข้าไปแทรกอยูในช่องว่างระหว่างโมเลกุลของยาง ซึ่งจะทำให้ยางล้อมีสมรรถนะดีขึ้น ช่วยให้การขับขี่จักรยานมีประสิทธิภาพสูงขึ้นในหลายแง่ เช่น การทำระยะทาง (mileage), การทำความเร็ว (speed), การรักษาความดันลมยาง (air retention), การยึดเกาะถนนเปียก (grip) และความทนทานต่อการทะลุ (cut resistance)  ดังจะเห็นผลการทดสอบได้จาก

2. หมึกผสมกราฟีน

ในอดีตแบ่งหมึก (ink) ในแง่ของการใช้งานออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือหมึกสำหรับงานเขียนกับหมึกสำหรับงานพิมพ์ ต่อมาเกิดหมึกประเภทที่ 3 ขึ้น คือหมึกนำไฟฟ้า (conductive ink) เช่นหมึกเงิน หรือหมึกทองแดง (silver-based หรือ copper-based conductive ink) ใช้ในการพิมพ์ตั๋วรถไฟ, ตั๋วเครื่องบิน, ป้าย RFID (radio-frequency identification tag) และกล่องบรรจุภัณฑ์อัจฉริยะ เป็นต้น แต่หลังจากการค้นพบกราฟีนของศาสตราจารย์ เซอร์ Geim กับศาสตราจารย์ เซอร์ Novoselov ได้มีการคิดนำกราฟีนมาผสมแทนโลหะ เกิดเป็นหมึกนำไฟฟ้ากราฟีนที่กำลังเป็นดาวรุ่งพุ่งแรง เพราะนอกจากจะมีคุณสมบัติดีเด่นพิเศษหลายประการดังกล่าวแล้วในหัวข้อ ที่ 2  หมึกกราฟีนยังเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม สิ่งของที่พิมพ์ด้วยหมึกเงินไม่สามารถนำไปรีไซเคิลได้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบใช้ครั้งเดียวทิ้งที่แผงวงจรพิมพ์ด้วยหมึกเงินต้องกำจัดด้วยการเผาทำลายเท่านั้น แต่ถ้าใช้หมึกกราฟีนสามารถนำไปรีไซเคิลได้ทุกอย่าง ตัวอย่างประโยชน์เชิงอุตสาหกรรมของหมึกกราฟีนมีดังต่อไปนี้

• ใช้ในการผลิตกล่องบรรจุภัณฑ์อัจฉริยะที่สามารถสื่อสารได้ว่าอาหารที่อยู่ข้างในเริ่มบูดแล้ว หรือ ยาในกล่องได้กระทบกับอุณหภูมิที่สูงเกินไปมาแล้ว เป็นต้น
• การใช้หมึกกราฟีนดัดแปลงฝ้ายหรือเส้นใยต่างๆจะทำให้สามารถนำไฟฟ้าได้ ซึ่งเปิดทางไปสู่สิ่งทออิเล็กทรอนิกส์ (e-textiles หรือ smart textiles) ที่มีประโยชน์ต่ออุตสาหกรรมต่างๆเช่น การแพทย์ และการดูแลสุขภาพ, การกีฬา, เสื้อเกราะ และชุดสวมใส่ของทหารหรือตำรวจ ฯลฯ
• ใช้ในการพัฒนาเทคโนโลยีหน้าจอสัมผัส และวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่โค้งงอได้, เซนเซอร์ของการเชื่อมต่ออัจฉริยะ (smart connection) และอินเทอร์เน็ตของทุกสรรพสิ่ง (IoT)

3. ตัวชาร์จกราฟีน

โดยทั่วไปหัวใจของเครื่องสำรองไฟโทรศัพท์เคลื่อนที่ (power bank) คือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ชาร์จไฟได้ แต่ก็มีจุดอ่อนตรงที่ใช้เวลานานในการชาร์จให้เต็ม บริษัท Zap&Go บริษัทสตาร์ทอัพสัญชาติอังกฤษจึงได้นำเสนอแหล่งสำรองไฟแบบใหม่ที่ใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ (supercapacitor) แทนที่แบตเตอรี่

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ (บางแห่งก็เรียกว่า ultracapacitor) มีหลักการพื้นฐานเหมือนกับตัวคาปาซิเตอร์ หรือตัวเก็บประจุทั่วๆไปที่ใช้กันอยู่ในทุกวงจรอิเล็กทรอนิกส์  แต่ถูกดัดแปลงให้มีความสามารถในการเก็บประจุไฟฟ้า (แทนด้วยค่า capacitance) สูงกว่ามาก กล่าวคือค่า capacitance ของตัวเก็บประจุธรรมดาจะพูดกันในเรือนร้อยหรือพันไมโครฟารัด (microfarad หรือ µF) แต่ของซูเปอร์คาปาซิเตอร์จะพูดกันในเรือนหลายร้อยฟารัด (F) นั่นคือต่างกันเป็นแสนเป็นล้านเท่า

บริษัท Zap&Go ได้ใช้จุดเด่นของแผ่นกราฟีนที่มีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูงมากกับการเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมแทนการใช้แผ่นฟอยล์อลูมิเนียมที่นิยมใช้ทำซูเปอร์คาปาซิเตอร์มาแต่ก่อน กราฟีนซูเปอร์คาปาซิเตอร์ชนิดใหม่นี้จึงมีลักษณะเด่นตรงที่อัดไฟเต็มได้ภายในเวลาเพียง 5 นาที แทนที่จะเป็นชั่วโมงๆเหมือนดังแต่ก่อน แต่ชาร์จโทรศัพท์ได้ไม่ต่างกับแบตสำรองไฟที่ใช้กันอยู่ทั่วไป (ทั้งนี้ขึ้นกับขีดจำกัดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในโทรศัพท์เป็นสำคัญ) มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา

และที่สำคัญไม่น้อยก็คือปลอดภัยกว่ามากเพราะไม่มีลิเธียมปะปนอยู่ด้วยเลย ดังที่ทราบกันดีแล้วว่าลิเธียมเป็นสารที่ติดไฟได้ง่ายมากเมื่อกระทบกับอากาศและโดยเฉพาะกับน้ำ ปัจจุบันบริษัทกำลังพัฒนากราฟีนซูเปอร์คาปาซิเตอร์ไปใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆอีกหลายชนิด

ต่างประเทศเขาไปถึงไหนแล้ว

ยิ่งทำการค้นคว้าวิจัยเข้าใจกราฟีนได้ลึกซึ้งขึ้นและพัฒนาให้กราฟีนมีราคาถูกลง แนวทางประยุกต์ใช้ประโยชน์จากกราฟีนจะยิ่งมีเพิ่มขึ้นอย่างกว้างขวางและหลากหลาย ผลพลอยได้เชิงพาณิชย์จะผุดออกมาให้เก็บเกี่ยวอย่างอุดมสมบูรณ์

ด้วยเหตุนี้รัฐบาลอังกฤษจึงได้ยอมลงทุน 38 ล้านปอนด์ (ประมาณ 1.6 พันล้านบาท) ตั้งศูนย์วิจัย National Graphene Institute (NGI) ขึ้นที่ University of Manchestor ตั้งแต่เมื่อปีพ.ศ. 2558 (งบประมาณเริ่มต้นอยู่ที่ 61 ล้านปอนด์ อีก 23 ล้านปอนด์ได้รับการสนับสนุนจาก EU)

รัฐบาลสิงคโปร์ที่ได้จัดตั้ง Graphene Research Centre (GRC) ขึ้นที่ National University of Singapore (NUS) ตั้งแต่เมื่อปีพ.ศ. 2553 ซึ่งต่อมาได้ขยับขยายใหญ่ขึ้นและปรับเปลี่ยนชื่อเป็น Centre for Advanced 2D Materials โดยได้รับงบประมาณสนับสนุนจากรัฐบาล 50 ล้านดอลลาร์สิงคโปร์ (ประมาณ 1.2 พันล้านบาท) สำหรับช่วง 10 ปี มีศาสตราจารย์ Antonio H. Castro Neto นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวอเมริกันผู้เชี่ยวชาญด้านสสารควบแน่นและกราฟีนเป็นผู้อำนวยการ และเพิ่งได้ตัวศาสตราจารย์ เซอร์ Konstantin Novoselov มาร่วมทีมเมื่อวันที่ 8 เมษายนที่เพิ่งผ่านมานี้เอง

สรุปแนวคิดที่สำคัญ

1. แนวคิดเพื่อสิ่งแวดล้อม : กราฟีนเป็นวัสดุ ไม่เป็นพิษกับร่างกายมนุษย์ (biocompatible) แถมมีฤทธิ์ป้องกันการก่อตัวของแบคทีเรียอีกด้วย

2. แนวคิดเพื่อเศรษฐกิจและสังคม : กราฟีน เป็นวัสดุศาสตร์แห่งอนาคตที่มีผลต่ออุตสาหกรรมใหม่ของโลก เช่น Smart phone, IOT, EV, Circular energy, ชิป ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อากาศยานและอวกาศ และจากการติดตามเคลื่อนไหวทั่วโลกที่ลงทุนในการวิจัยและพัฒนา ในกราฟีน ซึ่งนี่จะเป็นเครื่องยนต์ใหม่ทางเศรษฐกิจของประเทศไทย และสร้างงานใหม่ให้กับคนไทยได้อีกจำนวนมาก 

อ้างอิงโดย

• ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ 
• GlobThailand

เรียบเรียงโดย Wazzadu Encyclopedia ซึ่งเป็นทีมวิจัย และพัฒนาความรู้ด้านการออกแบบ และวัสดุศาตร์ทางด้านสถาปัตย์ฯ

สำหรับท่านที่สนใจในนวัตกรรมด้านสิ่งแวดล้อม สามารถติดต่อเพื่อโปรโมตผลงานของท่านเกี่ยวกับนวัตกรรมด้านสิ่งแวดล้อมทั้งการออกแบบ, เทคโนโลยี, วัสดุศาสตร์ เพื่อคุณภาพชีวิตของผู้คนได้แล้วที่ wazzadu .com. โดย inbox เข้ามาได้ที่  www.facebook.com/Wazzadu

ติดตามเนื้อหาอื่นๆที่น่าสนใจของ Wazzadu Green ได้ที่

Material and Design Innovation