"ไส้ดินสอ" สิ่งเล็กๆ ที่กลายเป็นจุดเริ่มต้นของ "Graphene"

เขียนบทความโดย RISC | 2 ปีที่แล้ว

แก้ไขล่าสุด : 2 ปีที่แล้ว

“ดินสอ” อุปกรณ์เครื่องเขียนที่เราใช้กันมาตั้งแต่เด็กๆ แต่มีใครรู้บ้าง ว่าไส้ดินสอสีดำๆ ที่เราเห็น คือจุดเริ่มต้นในการค้นพบที่ยิ่งใหญ่

ดินสอวัสดุธรรมดาที่ไม่ได้มีราคามากมาย แต่กลับกลายเป็นต้นกำเนิดของวัสดุสุดแสนมหัศจรรย์แห่งอนาคตอย่าง “กราฟีน” ซึ่งวันนี้เราจะมาดูเส้นทางกันว่า “กราฟีน” เกิดขึ้นมาได้อย่างไร?

ไส้ดินสอหรือแกรไฟต์ (Graphite) เป็นอัญรูปหนึ่งของคาร์บอน ประกอบไปด้วยอะตอมคาร์บอนเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ (Covalent) มีลักษณะโครงสร้างเป็นวงหกเหลี่ยม (Hexagonal) คล้ายรังผึ้งในแนวระนาบ 2 มิติ แต่ละระนาบดึงดูดกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์ (Van der Waals Force) ในขณะที่กราฟีนเป็นระนาบเพียงหนึ่งชั้นของแกรไฟต์

โดยกราฟีนถูกค้นพบครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ 2 ท่านคือ Andre Geim และ Konstantin Novoselov จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ด้วยการ “ใช้เทปใสแยกชั้นของคาร์บอนที่มีความหนาเพียงหนึ่งอะตอมออกมาจากแกรไฟต์”

เริ่มจากการเอาเทปใสพันรอบไส้ดินสอแล้วลอกออกมา จะเห็นผงดำๆ ติดอยู่บนเทปใส ซึ่งนั่นก็คือกราฟีน แต่เป็นกราฟีนที่ซ้อนกันหลายๆ ชั้น จากนั้นก็นำเทปใสอีกแผ่นมาแปะทาบกับรอยดำๆ บนเทปแผ่นแรก แล้วค่อยๆ ดึงแยกออกจากกัน จะพบว่ารอยดินสอบนเทปนั้นดูจางลงไปเรื่อยๆ และทำแบบนี้ซ้ำไปซ้ำมา จนกระทั่งได้แผ่นที่บางที่สุดแค่อะตอมเดียว หลังจากนั้นทดสอบด้วยการส่องผ่านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนกำลังขยายสูง จนกว่าจะพบกราฟีนที่เหลือเพียงชั้นเดียว

ถึงแม้ว่ากราฟีนและแกรไฟต์จะมีโครงสร้างที่คล้ายกัน ไม่ว่าจะเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่ประกอบไปด้วยอะตอมคาร์บอนเพียงอย่างเดียว การเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์เป็นวงหกเหลี่ยม แต่ก็มีจุดต่างกันตรงที่แกรไฟต์มีระนาบของคาร์บอนซ้อนกันหลายๆ ชั้น แต่กราฟีนมีแค่ชั้นเดียว ซึ่งในความต่างนี้ส่งผลต่อคุณสมบัติที่ต่างกันของกราฟีนและแกรไฟต์ราวฟ้ากับเหว การดึงดูดแต่ละระนาบด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์ ทำให้แกรไฟต์ไม่แข็งแรง มีความเปราะสูง และนี่เป็นเหตุผลว่าทำไมเมื่อเราออกแรงกดไส้ดินสอแล้วมักจะหัก ขณะที่กราฟีนก็มีคุณสมบัติที่โดดเด่นในหลายๆ ด้าน ดังบทความก่อนหน้า (https://bit.ly/3xCoEy3) จึงทำให้กราฟีนมีมูลค่าสูงมากกว่าแกรไฟต์อย่างมหาศาล

แม้ว่าจุดเริ่มต้นของกราฟีนจะเริ่มจากการลอกด้วยวิธีเชิงกล (Mechanical Exfoliation) จากแกรไฟต์ ทำให้ได้กราฟีนคุณภาพสูง แต่กระบวนผลิตที่ช้า ควบคุมขนาด และจำนวนชั้นได้ยาก จึงทำให้วิธีนี้ไม่เป็นที่นิยม โดยในปัจจุบันวิธีที่นิยมคือ การใช้ปฏิกิริยาเคมีรีดักชันจากแกรไฟต์ออกไซด์ (Chemical Reduction of Graphite Oxide) โดยการออกซิไดซ์แกรไฟต์ เพื่อให้เกิดหมู่ฟังก์ชันที่ไปกั้นระหว่างชั้นของแกรไฟต์ให้ห่างออกจากกัน แล้วค่อยทำปฏิกิริยารีดักชันเพื่อลดจำนวนหมู่ฟังก์ชันลงในภายหลัง จะได้ผลิตภัณฑ์ที่เรียกว่า รีดิวซ์แกรฟีนออกไซด์ (Reduced Graphene Oxide, rGO)

แม้ว่ากราฟีนที่ได้จะมีคุณสมบัติด้อยกว่าวิธีการลอกเชิงกล เนื่องจากมีหมู่ฟังก์ชันหลงเหลืออยู่ แต่สามารถผลิตได้จำนวนมากและต้นทุนต่ำ นอกจากนี้ ยังมีวิธีการฉีดพ่นไอสารเคมี (Chemical Vapour Deposition, CVD) เป็นการปล่อยก๊าซมีเทนเข้าไปในเตาเผา แล้วสลายตัวเหลือเพียงอะตอมของคาร์บอน (กราฟีน) เกาะอยู่บนแผ่นโลหะ จากนั้นค่อยกำจัดเอาแผ่นโลหะออก วิธีนี้ก็จะได้กราฟีนที่มีคุณภาพสูง สามารถควบคุมจำนวนชั้นได้ และนำไฟฟ้าได้ดี

จากเรื่องราวของที่มาของกราฟีน เราคงเห็นกันแล้วว่า “สิ่งเล็กๆ ก็สามารถสร้างสิ่งที่ยิ่งใหญ่ได้” ซึ่งคำนี้คงไม่เป็นคำกล่าวเกินจริงกับแกรไฟต์อย่างแน่นอน

เนื้อหาโดย คุณ สุพรรณภางค์ รักษาวงค์ นักวิจัยวัสดุ RISC

อ้างอิงข้อมูลจาก    ​
แมนมนัส ศรีแก้ว และสายันต์ แสงสุวรรณ. 2563. วัสดุมหัศจรรย์แกรฟีน : กลยุทธ์การสังเคราะห์ สมบัติ การพัฒนา
การพิสูจน์เอกลักษณ์ และการประยุกต์ใช้. วารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี. 22(2): 39-49.