“แกรฟีน” วัสดุแห่งโลกอนาคต

Last Updated on Monday, 01 November 2010 09:43

เพื่อพิสูจน์ว่า “วัสดุที่หนาเพียงอะตอมเดียวมีอยู่จริง” ดร.อังเดร ไกม์ (Dr. Andre Geim) และดร.คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (Dr. Konstantin Novoselov) จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ประเทศอังกฤษ จึงได้ทุ่มเทค้นคว้าและวิจัยจนสามารถค้นพบ “แกรฟีน ...วัสดุบางที่สุดที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว” ได้สำเร็จ ส่งผลให้ทั้งคู่ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ประจำปี ค.ศ. 2010 และทำให้ “แกรฟีน” กลายเป็นวัสดุที่ถูกจับตามากที่สุด ...วัสดุที่จะเปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีในอนาคต

เผยโฉม “แกรฟีน”
“แกรฟีน (Graphene)” ได้มาจาก “แกรไฟต์ (Graphite)” วัสดุจากธรรมชาติที่มีโครงสร้างที่ซ้อนกันอยู่เป็นชั้นๆ และแต่ละชั้นยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดแบบอ่อนๆ ที่เรียกว่า แรงแวนเดอร์วาลส์ (van der Waals) ซึ่ง “แกรฟีน” ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนเรียงตัวกันในลักษณะสองมิติ มีโครงสร้างเป็นรูปตาข่ายคล้ายรังผึ้ง ถูกค้นพบและพัฒนาขึ้นด้วยวิธี “Micromechanical Cleavage” หรือ “Scotch Tape Method” โดยใช้สก๊อตเทปแปะเกล็ดแกรไฟต์ (Graphite Flake) และดึงลอกแกรฟีนออกมาทีละชั้น แม้วิธีการแยกแกรฟีนจะดูง่าย แต่สิ่งที่ยาก คือ การค้นหาแกรฟีนให้พบและพิสูจน์ให้ได้ว่าเป็นแกรฟีนที่มีความหนาเพียง 1 อะตอม ซึ่งในที่สุดพวกเขาก็ค้นพบแกร ฟีนได้สำเร็จ ด้วยการนำไปวางบนวัสดุรองรับซิลิคอนไดออกไซด์ (Silicon Dioxide Substrate)

การจัดเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนอย่างเป็นระเบียบ ทำให้ “แกรฟีน” เป็นวัสดุที่มีความแข็งที่สุด โดยแข็งกว่าเหล็กกล้าและเพชร แม้จะเป็นวัสดุที่มีความแข็งแต่ “แกรฟีน” กลับมีความยืดหยุ่น สามารถบิดงอ ม้วน หรือพับ ได้อย่างง่ายดาย นอกจากนี้ “แกรฟีน” ยังมีคุณสมบัติที่โดดเด่นในการนำความร้อนและนำไฟฟ้าได้อย่างดี โดยสามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดงถึง 4 เท่า ซึ่งมากกว่าท่อนาโนคาร์บอน (Nanocarbon  Tube) ถึง 2 เท่ารวมถึงมีความโปร่งแสงถึง 97%

“แกรฟีน” จึงกลายเป็นวัสดุที่ถูกจับตาว่ามีศักยภาพที่จะเข้ามาแทนซิลิกอนในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ รวมถึงการใช้งานเพื่อทดแทนวัสดุราคาแพง หรือแม้แต่การนำไปใช้สร้างอุปกรณ์เชิงแสงในจอแสดงผลคอมพิวเตอร์ โทรทัศน์ และโทรศัพท์มือ ทดแทนการใช้อินเดียมทินออกไซต์ ซึ่งมีส่วนประกอบหลักเป็นธาตุอินเดียมที่มีราคาสูงและใกล้จะหมดลง

งานวิจัย “แกรฟีน” ฝีมือคนไทย
ด้วยคุณสมบัติที่โดดเด่นของ “แกรฟีน” จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างสนใจศึกษาการใช้ประโยชน์จากวัสดุพิเศษนี้ เช่นเดียวกับคณะนักวิจัยจากศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค) ที่ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์ “แกรฟีน” เพื่อใช้เป็นส่วนผสมของหมึกพิมพ์วงจรอิเล็กทรอนิกส์ หรือการรวมกลุ่มเพื่อศึกษาวิจัย “แกรฟีน” โดยเฉพาะ ของนักศึกษาและนักวิจัยมหาวิทยาลัยมหิดล จนมีผลงานตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติ

• สังเคราะห์ “แกรฟีน” เพื่อผลิตน้ำหมึกนำไฟฟ้าครั้งแรกของโลกด้วยเทคนิคเคมีไฟฟ้า
ดร.อดิสร เตือนตรานนท์ และทีมวิจัยหน่วยปฏิบัติการนาโนอิเล็กทรอนิกส์และเครื่องกลจุลภาค ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค) ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์ “แกรฟีน” ด้วยเทคนิคเคมีไฟฟ้า เพื่อนำมาเป็นส่วนผสมของหมึกพิมพ์วงจรอิเล็กทรอนิกส์ และสามารถพิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์แบบอิงค์เจ็ตได้เป็นทีมแรกของโลก โดยมีเป้าหมายเพื่อผลิตเซ็นเซอร์ในราคาที่ถูกลง แต่มีคุณสมบัติที่โดดเด่นทั้งด้านการนำไฟฟ้าและปลอดจากการปนเปื้อนระหว่างกระบวนการผลิต ทีมวิจัยใช้เวลาศึกษาและพัฒนาเป็นเวลา 6 เดือน จนได้แกรฟีนบริสุทธิ์ผสมกับโพลิเมอร์ในรูปของเหลว เพื่อนำไปใช้เป็นหมึกพิมพ์วงจรอิเล็กทรอนิกส์ เมื่อนำไปพิมพ์เป็นแผงวงจรเซ็นเซอร์จะมีประสิทธิภาพในการนำไฟฟ้าสูงกว่าเดิม 40-50%

ผลจากการศึกษาดังกล่าว ทีมวิจัยได้ตั้งเป้าจะพัฒนาเป็นเซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ตรวจวัดทางชีวภาพ เคมี และก๊าซ ซึ่งจุดเด่นของหัวเซ็นเซอร์ที่พัฒนาจากการใช้หมึกพิมพ์แกรฟีน จะสามารถวัดผลได้อย่างแม่นยำ แม้จะมีปริมาณของสารที่ต้องการตรวจวัดในระดับที่น้อยก็ตาม โดยเบื้องต้นทีมวิจัยจะพัฒนาเป็นเซ็นเซอร์ตรวจวัดระดับน้ำตาลในเลือดของผู้ป่วยเบาหวานและเซ็นเซอร์เพื่อตรวจวัดสารปนเปื้อนในอาหาร

• วิจัยคุณสมบัติ “แกรฟีน” หวังต่อยอดนาโนอิเล็กทรอนิกส์
ด้วยความโดดเด่นของวัสดุ “แกรฟีน” ทำให้นักศึกษาปริญญาโท-เอก ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล เกิดจากการรวมตัวเพื่อศึกษาและวิจัย “แกรฟีน” อย่างจริงจัง โดยเน้นศึกษาสมบัติทางไฟฟ้าของแกรฟีนในเชิงทฤษฎี เพื่อค้นหาสมบัติและทำนายพฤติกรรมการทำงานของแกรฟีนในด้านต่างๆ ซึ่งจะเป็นองค์ความรู้พื้นฐานให้นักวิทยาศาสตร์นำไปประยุกต์ใช้พัฒนาแผ่นแกรฟีนสำหรับสร้างอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต

จากการศึกษาวิจัย “แกรฟีน” มาตั้งแต่ปี 2549 ทีมวิจัยมีผลงานตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติแล้ว 11 ฉบับ ถือเป็นกลุ่มวิจัยแรกในประเทศไทยที่ทำงานวิจัยแกรฟีนและมีผลงานในเชิงทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับในระดับนานาชาติ ซึ่งผลงานวิจัยที่ได้รับการตีพิมพ์ อาทิ การศึกษาสมบัติการเป็นซูเปอร์คอนดักเตอร์ (Superconductor) หรือการเป็นวัสดุตัวนำยิ่งยวดในแกรฟีน การศึกษาแกรฟีนสองชั้น (Bilayer Graphene) และควบคุมแถบช่องว่างพลังงานด้วยการหาสนามไฟฟ้า และการศึกษาการยืดออกของแกรฟีน เป็นต้น

แม้ว่า “แกรฟีน” จะถูกค้นพบเพียงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่ด้วยคุณสมบัติที่โดดเด่น ก็ได้ดึงดูดให้เหล่านักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกศึกษาและวิจัยวัสดุพิเศษนี้กันอย่างแพร่หลาย เพื่อให้ได้นวัตกรรมสุดล้ำที่อาจจะพลิกโฉมโลกของเทคโนโลยีและชีวิตผู้คนในอนาคต


                                                                                                 # # #

เรียบเรียงโดย ฝ่ายสื่อสารองค์กร
สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ


 

บทความนี้มีประโยชน์มากน้อยเพียงใด: / 5
น้อยมากที่สุด