Graphene วัสดุเปลี่ยนโลก

เขียนบทความโดย RISC | 3 ปีที่แล้ว

แก้ไขล่าสุด : 2 ปีที่แล้ว

เชื่อหรือไม่? บนโลกนี้มีวัสดุที่ใสกว่าแก้ว และมีขนาดที่บางกว่าเส้นผม แต่แข็งแรงกว่าเหล็กกล้า...ฟังดูอาจจะรู้สึกเหลือเชื่อ แต่เมื่อเอ่ยถึง “กราฟีน (Graphene)” ใครหลายคนคงอาจจะคุ้นหูขึ้นมาทันที

“กราฟีน (Graphene)” เป็นหนึ่งในวัสดุที่ถูกมองว่าจะเข้ามามีบทบาทสำคัญในอนาคต เพราะในแง่ของคุณสมบัติต่างๆ ของมันที่มีความพิเศษกว่าวัสดุชนิดอื่นๆ จนบทความนี้อยากจะให้ทุกคนมารู้จักกับความมหัศจรรย์ของกราฟีนมากยิ่งขึ้นกัน

กราฟีนถูกค้นพบในปี 2004 โดยนักวิทยาศาสตร์ 2 ท่าน คือ Andre Geim และ Konstantin Novoselov โดยการค้นพบนี้ทำให้ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ในปี 2010 และส่งผลให้กราฟีนกลายเป็นที่สนใจจากทั่วโลก

เมื่อเราลองพิจารณาจากโครงสร้างและคุณสมบัติจะพบว่า กราฟีนซุกซ่อนไปด้วยความมหัศจรรย์มากมาย โดยกราฟีนเป็นวัสดุที่ประกอบไปด้วยอะตอมคาร์บอนที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ (Covalent) มีลักษณะโครงสร้างเป็นวงหกเหลี่ยม (Hexagonal) คล้ายรังผึ้งอยู่ในแนวระนาบ 2 มิติ ซึ่งการเชื่อมต่อด้วยอะตอมคาร์บอนเพียงแค่ 2 มิตินี้ จึงทำให้กราฟีนเป็นวัสดุที่บางมากที่สุดในโลก เพราะมีความหนาเพียงแค่ 0.34 nm หรือเท่ากับขนาดอะตอมคาร์บอน และบางกว่าเส้นผมถึง 1,000,000 เท่า จนไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า และด้วยความบางนี้เอง แสงเลยสามารถส่องผ่านได้มากถึง 97% เป็นวัสดุที่มีความโปร่งใสที่มีน้ำหนักเบามาก โดยมีการพบว่า สามารถใช้กราฟีนน้อยกว่า 1 กรัม เรียงต่อกันให้มีขนาดเท่ากับ 1 สนามฟุตบอลได้เลย

อีกประเด็นที่น่าสนใจ คือ การที่อะตอมคาร์บอนเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ เลยทำให้กราฟีนเป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงกว่าเหล็กถึง 100-300 เท่า สามารถรับน้ำหนักของช้าง 1 เชือกที่ยืนกดน้ำหนักบนดินสอได้โดยไม่ทำให้แผ่นกราฟีนฉีกขาด และยังสามารถยืดหด โค้งงอได้ดีโดยไม่เสียรูปอีกด้วย

กราฟีนยังมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนใน 2s ออร์บิทัล เป็นแบบ sp² ทำให้มีอิเล็กตรอนที่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ (Delocalized) ส่งผลให้สามารถนำไฟฟ้าและความร้อนได้ดีกว่าทองแดง นอกจากนี้ ยังมีความพิเศษที่สำคัญอย่างยิ่งอีกหนึ่งอย่าง คือ คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งกราฟีนไม่ได้ถูกจัดเป็นวัสดุตัวนำหรือวัสดุกึ่งตัวนำ แต่กราฟีนมีช่องว่างพลังงาน (Band Gap Semiconductor) เป็นศูนย์ จึงทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง และถูกนำไปใช้ประโยชน์ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพสูง และยังเป็นวัสดุที่ไม่เป็นพิษต่อร่างกายมนุษย์และสามารถย่อยสลายได้ในธรรมชาติอีกด้วย

จากความมหัศจรรย์ของคุณสมบัติในด้านต่างๆ เช่น ความแข็งแรง น้ำหนักเบา ความสามารถในการนำไฟฟ้า ขนาดที่เล็กมากๆ จึงทำให้กราฟีนเป็นวัสดุอีกชนิดหนึ่งที่ได้รับความสนใจจากหลากหลายอุตสาหกรรมทั่วโลก และถูกมองว่าจะเป็นวัสดุแห่งอนาคต ซึ่งในบทความต่อไปเราจะมาเรียนรู้การใช้งานกราฟีนในแอปพลิเคชันต่างๆ กัน อย่าลืมติดตามกันนะ

เนื้อหาโดย คุณ สุพรรณภางค์ รักษาวงค์ นักวิจัยวัสดุ RISC

อ้างอิงข้อมูลจาก ​
https://www.graphene-info.com/graphene-properties ​
https://www.acsmaterial.com/graphene-facts​