หน้าแรก คลังความรู้ 30 ปี สวทช. งานวิจัย 30 ปี สวทช. “กราฟีน” วัสดุแห่งอนาคต
“กราฟีน” วัสดุแห่งอนาคต
9 มิ.ย. 2564
0
30 ปี สวทช.
งานวิจัย 30 ปี สวทช.
ผลงานวิจัยเด่น

"กราฟีน" วัสดุแห่งอนาคต

กราฟีน” (Graphene) เป็นวัสดุแห่งอนาคตที่คันพบ เมื่อปี พ.ศ. 2547 โดยสองนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย
 “ศาสตราจารย์ ดร.อังเดร ไกม์”(Andre Geim) และ
“ศาสตราจารย์ ดร.คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ” (Konstantin Novoselov)
จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ สหราชอาณาจักร 6 ปีต่อมาผลงานชิ้นนี้ทำให้ผู้ค้นพบทั้งสองท่าน
ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี พ.ศ. 2553

“กราฟีน ” จัดเป็นวัสดุนำไฟฟ้าและความร้อนได้ดีที่สุดในโลก โดยเป็นวัสดุที่ประกอบด้วยชั้นของคาร์บอนอะตอมที่หนาเพียง 1 ชั้น มีลักษณะเป็นแผ่นที่มีโครงสร้าง 2 มิติ เหมือนตาข่ายรูปหกเหลี่ยมคล้ายรังผึ้งมีความหนาเท่ากับขนาดของคาร์บอนเพียงอะตอมเดียว หรือประมาณ 0.34 นาโนเมตร

จึงทำให้มีคุณสมบัติพิเศษที่แข็งแรงกว่าเหล็กและเพชร นำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดง อีกทั้งยังใสโปร่งแสง และมีความยืดหยุ่นสูง เหมาะกับการนำไปใช้ผสมในพอลิเมอร์ต่าง ๆ ในการนำไฟฟ้า เพื่อไม่ให้มีการขาดตอน และนำไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี

จากความมหัศจรรย์ที่ถูกค้นพบทำให้กราฟีนกลายเป็นวัสดุที่ได้รับความสนใจไปทั่วโลก รวมถึงประเทศไทย ซึ่งสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ได้มองเห็นโอกาสและความสำคัญของวัสดุมหัศจรรย์อย่าง”กราฟีน” มาตั้งแต่ตอนที่มีการค้นพบใหม่ ๆ และได้เริ่มวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เพื่อนำกราฟีนไปประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ 

ในปี พ.ศ. 2553 ทีมวิจัยจากศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ หรือเนคเทค สวทช. ประสบความสำเร็จใน “การสังเคราะห์กราฟีนด้วยเทคนิคเคมีไฟฟ้าลอกเอาแผ่นกราฟีนบริสุทธิ์ออกจากขั้วแกรไฟต์ และผสานเข้าไปในเนื้อพอลิเมอร์นำไฟฟ้าได้ด้วยต้นทุนต่ำเป็นครั้งแรกของโลก

ผลงานนี้ได้รับความสนใจจากภาคเอกชนต่อยอดนำไปผลิตหมึกนำไฟฟ้าจำหน่ายเชิงพาณิชย์หมึกพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สังเคราะห์ขึ้นจากสาร “กราฟีน” นั้นมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ดี สามารถตีพิมพ์ลงบนพื้นผิวได้หลายชนิด เช่นกระดาษ และแผ่นพลาสติก ก่อให้เกิดนวัตกรรมใหม่ ๆ นอกจากจะนำไปทำหมึกพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ หรือ E-ink ที่นำไปใช้ในแผ่นป้ายอาร์เอฟไอดี แทนการใช้โลหะทองแดง ที่มีต้นทุนสูงกว่าแล้วยังสามารถทำเป็นบรรจุภัณฑ์อัจฉริยะ สามารถแสดงข้อมูลหรือภาพเคลื่อนไหวบนหีบห่อ พัฒนาเป็นกระดาษอัจฉริยะที่แสดงข้อมูลหรือภาพเคลื่อนไหวบนแผ่นพลาสติกที่โค้งงอได้

นอกจากนี้ ยังนำไปพัฒนาเป็นสารเปล่งแสงที่ใช้ในจอแสดงผลชนิด “โอแอลอีดี”ซึ่งใช้พลังงานและมีต้นทุนการผลิตต่ำ ทำเป็นฟิล์มสุริยะหรือแผ่นฟิล์มบางที่ทำหน้าที่เหมือนแผงรับพลังงานจากแสงอาทิตย์แล้วเปลี่ยนเป็นไฟฟ้า รวมถึงทำเป็นแบตเตอรี่ชนิดบางและตัวตรวจวัดหรือเซนเซอร์ทางการแพทย์ที่มีราคาถูก

ทั้งนี้เพื่อเป็นศูนย์กลางการผลิตนวัตกรรมจากเทคโนโลยีกราฟีน สวทช.ได้ขยายการดำเนินงานวิจัย จัดตั้งเป็น “ศูนย์นวัตกรรมการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์” หรือโทปิค (Thailand Organic & PrintedElectronics Innovation Center: TOPIC)

โดยโทปิคทำงานแบบเครือข่ายระหว่างภาครัฐกับเอกชน มีห้องปฏิบัติการและบริการทางเทคนิค เพื่อให้บริการแก่ภาคอุตสาหกรรม รวมถึงการให้คำปรึกษาในการใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ด้วยหมึกอิเล็กทรอนิกส์หรือหมึกนำไฟฟ้า และได้เข้าร่วมเป็นสมาชิกของ Organic and Printed Electronics Association หรือOE-A ซึ่งเป็นสมาคมด้านอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์ระดับโลกเพื่อสร้างเครือข่ายกับกลุ่มสมาชิกของ OE -A ที่มีอยู่ทั่วโลก ทำให้ไทยมีฐานข้อมูลและเครือข่ายการพัฒนางานวิจัยที่กว้างมากขึ้น

ซึ่งต่อมา “Haydale Graphene Industries” บริษัทที่เชี่ยวชาญด้านกราฟีนระดับโลกจากประเทศอังกฤษ ได้เลือกจัดตั้งศูนย์วิจัยกราฟีน หรือ Haydale Technologies (Thailand) ขึ้นที่อุทยานวิทยาศาสตร์ประเทศไทย ทำให้นักวิจัยไทยได้ทำงานร่วมกับนักวิจัยชั้นนำจากต่างประเทศ เกิดการแลกเปลี่ยน เรียนรู้และการถ่ายทอดเทคโนโลยีระหว่างกันได้อย่างเป็นรูปธรรม

ปัจจุบันโทปิคอยู่ภายใต้ศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ (NSD) ของสวทช. นอกจากจะมีทีมนักวิจัยกราฟีนและนวัตกรรมการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นกลุ่มแรกในไทยที่สังเคราะห์กราฟีนได้ และถ่ายทอดให้เอกชนผลิตเป็นหมึกนำไฟฟ้าจำหน่ายเชิงพาณิชย์แล้ว ยังมีการนำกราฟีนไปทำเป็นเซนเซอร์แบตเตอรี่ชนิดบาง และกำลังนำกราฟีนไปผสมในพลาสติกชีวภาพเพื่อทำให้เหนียวขึ้น เปราะน้อยลง และนำไฟฟ้าได้

นอกจากนี้ยังมีทีมพัฒนานวัตกรรมการสังเคราะห์กราฟีน กำลังวิจัยเทคโนโลยีการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ในกระบวนการผลิตของโรงงานอุตสาหกรรมให้เป็นวัสดุนาโนคาร์บอนหรือกราฟีนที่มีมูลค่าสูง ซึ่งจะเพิ่มมูลค่าของเหลือทิ้งแล้วยังช่วยลดปัญหามลพิษอีกด้วย

ส่วนด้านเซนเซอร์ ทีมนักวิจัยฯ ได้ผลิตกราฟีนเพื่อประยุกต์ใช้งานด้านความมั่นคงทั้งด้านสังคม อาหาร การแพทย์ และสิ่งแวดล้อม ที่ผ่านมามีการพัฒนาเซนเซอร์ด้วยวัสดุขั้นสูงนาโนกราฟีน โดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สกรีนทำให้ได้เซนเซอร์กราฟีนชนิดพิมพ์ที่มีความไวสูง ต้นทุนต่ำ และมีกำลังผลิตในระดับอุตสาหกรรม ทั้งนี้ สวทช. ร่วมมือกับเครือข่ายต่าง ๆ ในการพัฒนาชุดตรวจ เช่น ชุดตรวจสารเสพติด ชุดตรวจเชื้อก่อโรคในอาหาร เซนเซอร์วัดสารเร่งเนื้อแดงและชุดตรวจเชื้อวัณโรค

สำหรับความมั่นคงด้านพลังงานที่ผ่านมาทีมนักวิจัยฯ ได้พัฒนาอุปกรณ์กักเก็บพลังงานอย่างต่อเนื่อง ทั้งตัวเก็บประจุยิ่งยวด (Supercapacitor) และแบตเตอรี่ลิเทียมซัลเฟอร์ (Lithium-sulfur battery) ซึ่งได้ประยุกต์ใช้เทคโนโลยีด้านวัสดุกราฟีนร่วมกับเทคโนโลยีการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์

ปัจจุบันทีมนักวิจัย สวทช. ร่วมกับจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยพัฒนาต้นแบบแบตเตอรี่สังกะสีไอออน ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ชนิดใหม่ที่มีความปลอดภัยสูง ไม่ระเบิดโดยนำเทคโนโลยีกราฟีนเข้ามาช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ จนสามารถพัฒนาเป็นแบตเตอรี่สังกะสีไอออนที่มีค่าความจุต่อน้ำหนักสูงอยู่ในช่วง 180-200 mAh.g-1และมีค่าความหนาแน่นพลังงานอยู่ในช่วง 180-200 Wh.kg-1 ซึ่งสามารถแข่งขันได้กับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนบางชนิด

สิ่งสำคัญที่เป็นความท้าทายของแบตเตอรี่ชนิดนี้ก็คือ การพัฒนาให้มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน (Cycle abilty) เพื่อให้แข่งขันได้กับแบตเตอรี่ที่มีในท้องตลาดต่อไป

ดาวน์โหลดหนังสือฉบับเต็ม

แชร์หน้านี้: