รู้จัก ‘แกรฟีน’ วัสดุมหัศจรรย์ที่แข็งแกร่งที่สุดในโลก

เชื่อหรือไม่ว่ามีวัสดุมหัศจรรย์ตัวหนึ่งที่ ‘บาง’ ระดับอะตอม แต่ ‘แข็งแกร่ง’ พอจะรับน้ำหนักช้างท้ังตัวได้

วัสดุนี้ชื่อ “แกรฟีน” (Graphene)

แกรฟีนคือชั้นบางๆ ของคาร์บอนอะตอมที่มีลักษณะเป็นหกเหลี่ยมเกาะต่อๆ กัน ค้นพบในปี 2004 โดย โนโวเซลอฟ (Novoselov) และ ไกม์ (Geim)[1] ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 2010

การค้นพบนี้เป็นเรื่องบังเอิญ ทั้งสองได้ใช้วัสดุ “ไส้ดินสอ” ที่เรียกว่า ‘แกรไฟต์’ มาช่วยในการปลูกสารตัวอื่นในแล็บของเขา ระหว่างการทำความสะอาด พวกเขาพบว่า เมื่อนำสก็อตช์เทปมาแปะดึงคราบสารหลงเหลือออกแล้ว จะมีแผ่นบางๆ ของแกรไฟต์หลงเหลือ ติดอยู่บนสก็อตช์เทป

เมื่อทั้งสองพยายามดึงมันออกด้วยสก็อตช์เทปอีกแผ่น พวกเขาพบว่าเขาสามารถดึงแผ่นแกรไฟต์ออกจากกันเรื่อยๆ จนเหลือเป็นแผ่นบางเฉียบระดับชั้นอะตอมเดียว

แผ่นของแท่งแกรไฟต์ที่มีอยู่อะตอมเดียวนี้ เรียกว่า “แกรฟีน” ซึ่งประกอบไปด้วยโครงสร้างอะตอมแบบหกเหลี่ยม

อ่านมาจนถึงตรงนี้ หลายคนอาจจะเกิดคำถามในใจว่า แล้วไส้ดินสอที่แสนจะเปราะบาง เอาไปขีดเขียนตามที่ต่างๆ หักก็ง่ายนี้ พอเราทำให้มันเหลือเพียงหนึ่งชั้นอะตอมแล้วมันจะเป็นวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดในโลกไปได้อย่างไร

คำตอบนั้นอยู่ที่โครงสร้างผลึกของแกรไฟต์ ซึ่งก็เป็นอะตอมของคาร์บอนที่เรียงต่อกันเป็นชั้นๆ สวยงามราวกับ “ขนมชั้น” แต่ระหว่างชั้นจะมีการดึงดูดกันอย่างอ่อนๆ แตกต่างกับแรงระหว่างอะตอมภายในชั้น ซึ่งจะมีแรงจากการที่อะตอมของคาร์บอนแบ่งใช้วงโคจรของอิเล็กตรอนด้วยกัน แรงนี้ทำให้เกิดพันธะอย่างเหนียวแน่นรูปหกเหลี่ยม

ความแตกต่างระหว่างพันธะที่แข็งแรงในตัวชั้นแบบอ่อนๆ ที่เหนี่ยวแต่ละชั้นไว้นี้เอง ทำให้เราสามารถดึงผลึกของแกรฟีนออกมาเป็นชั้นๆ ในความหนาระดับอะตอมเดียวได้ด้วยอุปกรณ์เพียงอย่างเดียวคือสก็อตช์เทป

แต่สิ่งที่ทำให้ โนโวเซลอฟ และ ไกม์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์นั้นไม่ใช่แค่การที่พวกเขาสามารถใช้สก็อตช์เทปดึงแผ่นแกรฟีนออกมาได้เท่านั้น พวกเขาได้ทำการสร้างวงจรไฟฟ้าจากแกรฟีนที่มีความหนาเพียงหนึ่งอะตอม และสามารถวัดคุณสมบัติทางไฟฟ้าของอิเล็กตรอนในระบบสองมิติในแกรฟีนได้สำเร็จเป็นครั้งแรก ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กที่อุณหภูมิต่ำ อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านแผ่นแกรฟีนได้โดยไม่เกิดการชนและสูญเสียพลังงาน ทำให้แผ่นแกรฟีนมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ไร้การสูญเสีย ทั้งยังมีการตรวจพบปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่เรียกว่า ปรากฏการณ์ ‘ชูบนีคอฟ ดี ฮาส’ ซึ่งเกิดจากการที่อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่บริเวณขอบของตัวแกรฟีนภายใต้สนามแม่เหล็กพลังงานสูง[2]

นอกจากแกรฟีนจะเป็นจุดเริ่มต้นของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์สองมิติแล้ว ยังเป็นวัสดุที่มีความน่าสนใจและน่าค้นหาทางฟิสิกส์สูงมาก เพราะว่านอกจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าในระบบสองมิติจะลดโอกาสการชนกันของอิเล็กตรอนแล้ว อุปกรณ์ที่สร้างจากวัสดุดังกล่าวนั้นบางมากๆ เหมาะสมแก่การทำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กไปด้วย

ตัวอย่างเช่น ปัจจุบันได้เริ่มมีการนำแกรฟีนมาพัฒนาเป็น ‘พาวเวอร์แบ็งค์’ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของการอัดเก็บ และคายพลังงานไฟฟ้า เนื่องจากการแกรฟีนมีการสูญเสียเนื่องจากความร้อนน้อยลง ขั้วของพาวเวอร์แบ็งค์ที่มีแกรฟีนผสมจึงเย็นกว่าระหว่างการใช้งาน ทำให้การอัดและคายพลังงานไฟฟ้าสามารถทำได้เร็วขึ้นและมีความจุมากขึ้น

ปัจจุบันมีพาวเวอร์แบ็งค์ที่มีส่วนประกอบของแกรฟีนที่สามารถซื้อขายได้ตามท้องตลาดแล้ว[3] นอกจากนั้นยังมีการนำแกรฟีนไปผสมกับใยผ้าและวัสดุต่างๆ เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและทนทานต่อความร้อนเสียสภาพได้ยาก[4]

แม้ว่าแกรฟีนจะเป็นวัสดุที่ได้รับยอมรับในตลาดโลกแล้ว แต่การค้นพบสิ่งใหม่ๆ ในเชิงวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับแกรฟีนก็ยังคงมีอยู่อย่างต่อเนื่อง  ตัวอย่างเช่นการค้นพบในสถานะอันแปลกประหลาดของอิเล็กตรอนในแกรฟีนยังเป็นจุดริเริ่มของการเชื่อมโยงระหว่างคุณสมบัติของสถานะอิเล็กตรอนที่ขอบแผ่นแกรฟีนกับการเปลี่ยนสถานะทางทอพอลอยี (Topological Phase Transition)[5] ซึ่งเป็นการเปลี่ยนสถานะของสสารแบบพิเศษและก็เป็นหัวข้อที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2016 อีกด้วย[6]

เรื่องราวโดยย่อของ ‘แกรฟีน’ เรื่องนี้สอนเราว่า บางครั้งการเล่นสนุก ความอยากรู้อยากเห็น ก็นำมาสู่การค้นพบที่ยิ่งใหญ่ และนวัตกรรมที่เปลี่ยนโลกได้เช่นกัน

อ้างอิง:

• [1] K. S. Novoselov et al., “Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films,” (in en), Science, vol. 306, no. 5696, pp. 666-669, 2004/10/22/ 2004, doi: 10.1126/science.1102896.
• [2]      E. M. Lifshits and A. M. Kosevich, “Theory of the Shubnikov—de Haas effect,” (in en), Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol. 4, no. 1, pp. 1-10, 1958/01/01/ 1958, doi: 10.1016/0022-3697(58)90189-6.
• [3]      “Graphene,” (in en-US), Real Graphene USA, 2020/07/19/T20:57:45+00:00 2020. [Online]. Available: https://bit.ly/39Hql1l .
• [4]      S. Vadukumpully, J. Paul, N. Mahanta, and S. Valiyaveettil, “Flexible conductive graphene/poly(vinyl chloride) composite thin films with high mechanical strength and thermal stability,” (in en), Carbon, vol. 49, no. 1, pp. 198-205, 2011/01/01/ 2011, doi: 10.1016/j.carbon.2010.09.004.
• [5] C. L. Kane and E. J. Mele, “Quantum Spin Hall Effect in Graphene,” Phys. Rev. Lett., vol. 95, no. 22, p. 226801, Nov. 2005, doi: https://bit.ly/2JJJoxd .
• [6] F. D. M. Haldane, “Nonlinear Field Theory of Large-Spin Heisenberg Antiferromagnets: Semiclassically Quantized Solitons of the One-Dimensional Easy-Axis N\’eel State,” Phys. Rev. Lett., vol. 50, no. 15, pp. 1153-1156, 1983/04/11/ 1983, doi: 10.1103/PhysRevLett.50.1153.