กราฟีนมีประโยชน์อย่างไร? ตัวอย่างการใช้งานสองกรณีจะช่วยให้คุณเข้าใจถึงโอกาสในการประยุกต์ใช้กราฟีน

ในปี 2010 เก็มและโนโวเซโลฟได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากผลงานวิจัยเกี่ยวกับกราฟีน รางวัลนี้สร้างความประทับใจอย่างลึกซึ้งแก่ผู้คนมากมาย เพราะไม่ใช่ว่าเครื่องมือทดลองที่ได้รับรางวัลโนเบลทุกชิ้นจะธรรมดาเหมือนเทปกาว และไม่ใช่ว่าวัตถุวิจัยทุกชิ้นจะมหัศจรรย์และเข้าใจง่ายเหมือน "ผลึกสองมิติ" อย่างกราฟีน ผลงานในปี 2004 ได้รับรางวัลในปี 2010 ซึ่งถือเป็นเรื่องที่หาได้ยากในประวัติศาสตร์รางวัลโนเบลในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

กราฟีนเป็นสารชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนชั้นเดียวเรียงตัวกันอย่างหนาแน่นเป็นโครงสร้างตาข่ายหกเหลี่ยมคล้ายรังผึ้งในสองมิติ เช่นเดียวกับเพชร กราไฟต์ ฟูลเลอรีน ท่อนาโนคาร์บอน และคาร์บอนอสัณฐาน กราฟีนเป็นสาร (สารอย่างง่าย) ที่ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ดังแสดงในรูปด้านล่าง ฟูลเลอรีนและท่อนาโนคาร์บอนสามารถมองได้ว่าถูกม้วนขึ้นจากกราฟีนชั้นเดียวที่ซ้อนกันหลายชั้น การวิจัยเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับการใช้กราฟีนเพื่ออธิบายคุณสมบัติของสารคาร์บอนอย่างง่ายต่างๆ (กราไฟต์ ท่อนาโนคาร์บอน และกราฟีน) มีมานานเกือบ 60 ปีแล้ว แต่โดยทั่วไปเชื่อกันว่าวัสดุสองมิติดังกล่าวยากที่จะคงอยู่ได้อย่างเสถียรเพียงลำพัง มักจะยึดติดกับพื้นผิวของวัสดุสามมิติหรืออยู่ภายในสารต่างๆ เช่น กราไฟต์ จนกระทั่งปี 2004 เมื่ออังเดร ไกม์และคอนสแตนติน โนโวเซโลฟ นักศึกษาของเขา ได้ทำการแยกกราฟีนชั้นเดียวออกจากกราไฟต์ผ่านการทดลอง การวิจัยเกี่ยวกับกราฟีนจึงมีความก้าวหน้าครั้งใหม่

ทั้งฟูลเลอรีน (ซ้าย) และนาโนทิวบ์คาร์บอน (กลาง) สามารถมองได้ว่าถูกม้วนขึ้นโดยชั้นกราฟีนชั้นเดียวในลักษณะใดลักษณะหนึ่ง ในขณะที่กราไฟต์ (ขวา) ถูกเรียงซ้อนกันโดยกราฟีนหลายชั้นผ่านการเชื่อมต่อด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์

ปัจจุบัน กราฟีนสามารถผลิตได้หลายวิธี และแต่ละวิธีก็มีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันไป Geim และ Novoselov ได้กราฟีนมาด้วยวิธีง่ายๆ โดยใช้เทปใสที่หาซื้อได้ตามซูเปอร์มาร์เก็ต พวกเขาลอกกราฟีน ซึ่งเป็นแผ่นกราไฟต์ที่มีอะตอมคาร์บอนเพียงชั้นเดียว ออกจากกราไฟต์ไพโรไลติกที่มีลำดับสูง วิธีนี้สะดวก แต่การควบคุมทำได้ไม่ดีนัก และจะได้กราฟีนที่มีขนาดเล็กกว่า 100 ไมครอน (หนึ่งในสิบของมิลลิเมตร) เท่านั้น ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการทดลองได้ แต่ยากที่จะนำไปใช้ในทางปฏิบัติ การตกตะกอนด้วยไอสารเคมีสามารถสร้างตัวอย่างกราฟีนที่มีขนาดหลายสิบเซนติเมตรบนพื้นผิวโลหะได้ แม้ว่าพื้นที่ที่มีการวางแนวที่สม่ำเสมอจะมีเพียง 100 ไมครอน [3,4] แต่ก็เหมาะสมสำหรับความต้องการในการผลิตของบางแอปพลิเคชัน อีกวิธีหนึ่งที่นิยมใช้คือการให้ความร้อนแก่ผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SIC) ในสภาวะสุญญากาศให้สูงกว่า 1100 ℃ เพื่อให้อะตอมซิลิคอนที่อยู่ใกล้พื้นผิวระเหยออกไป และอะตอมคาร์บอนที่เหลืออยู่จะเรียงตัวใหม่ ซึ่งก็สามารถได้ตัวอย่างกราฟีนที่มีคุณสมบัติที่ดีเช่นกัน

กราฟีนเป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว: การนำไฟฟ้าดีเยี่ยมเทียบเท่าทองแดง และการนำความร้อนดีกว่าวัสดุใดๆ ที่รู้จักกัน นอกจากนี้ยังมีความโปร่งใสสูง กราฟีนจะดูดซับแสงที่ตกกระทบในแนวตั้งเพียงส่วนน้อย (2.3%) เท่านั้น ส่วนใหญ่ของแสงจะทะลุผ่าน และมีความหนาแน่นสูงมาก แม้แต่โมเลกุลของฮีเลียม (โมเลกุลก๊าซที่เล็กที่สุด) ก็ไม่สามารถทะลุผ่านได้ คุณสมบัติมหัศจรรย์เหล่านี้ไม่ได้สืบทอดมาจากกราไฟต์โดยตรง แต่มาจากกลศาสตร์ควอนตัม คุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางแสงที่เป็นเอกลักษณ์นี้บ่งชี้ว่ากราฟีนมีโอกาสในการใช้งานที่กว้างขวาง

แม้ว่ากราฟีนจะมีอายุไม่ถึงสิบปี แต่ก็แสดงให้เห็นถึงการประยุกต์ใช้ทางเทคนิคมากมาย ซึ่งเป็นเรื่องที่หาได้ยากมากในสาขาฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์วัสดุ โดยปกติแล้ววัสดุทั่วไปต้องใช้เวลามากกว่าสิบปีหรือหลายสิบปีจึงจะสามารถนำจากห้องทดลองไปสู่การใช้งานจริงได้ กราฟีนมีประโยชน์อย่างไรบ้าง? ลองมาดูตัวอย่างสองตัวอย่างกัน

อิเล็กโทรดแบบอ่อนนุ่มโปร่งใส
ในเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายชนิด จำเป็นต้องใช้วัสดุตัวนำโปร่งใสเป็นขั้วไฟฟ้า นาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องคิดเลข โทรทัศน์ จอแสดงผลคริสตัลเหลว หน้าจอสัมผัส แผงโซลาร์เซลล์ และอุปกรณ์อื่นๆ อีกมากมาย ขาดขั้วไฟฟ้าโปร่งใสไม่ได้ ขั้วไฟฟ้าโปร่งใสแบบดั้งเดิมใช้สารประกอบอินเดียมทินออกไซด์ (ITO) แต่เนื่องจากราคาสูงและปริมาณอินเดียมมีจำกัด วัสดุจึงเปราะและขาดความยืดหยุ่น และขั้วไฟฟ้าจำเป็นต้องถูกเคลือบในชั้นกลางที่เป็นสุญญากาศ ซึ่งมีต้นทุนค่อนข้างสูง นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามค้นหาวัสดุทดแทนมาเป็นเวลานาน นอกจากคุณสมบัติด้านความโปร่งใส การนำไฟฟ้าที่ดี และการเตรียมที่ง่ายแล้ว หากวัสดุมีความยืดหยุ่นที่ดีด้วย ก็จะเหมาะสำหรับการผลิต "กระดาษอิเล็กทรอนิกส์" หรืออุปกรณ์แสดงผลแบบพับได้อื่นๆ ดังนั้น ความยืดหยุ่นจึงเป็นสิ่งสำคัญมากเช่นกัน กราฟีนเป็นวัสดุที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับขั้วไฟฟ้าโปร่งใส

นักวิจัยจาก Samsung และมหาวิทยาลัยเฉิงจุงกวนในเกาหลีใต้ได้รับกราฟีนที่มีความยาวแนวทแยง 30 นิ้วโดยวิธีการตกตะกอนไอสารเคมีและถ่ายโอนไปยังฟิล์มโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) หนา 188 ไมครอนเพื่อผลิตหน้าจอสัมผัสที่ใช้กราฟีนเป็นส่วนประกอบ [4] ดังแสดงในรูปด้านล่าง กราฟีนที่ปลูกบนแผ่นทองแดงจะถูกยึดติดกับเทปตัดความร้อน (ส่วนโปร่งใสสีน้ำเงิน) ก่อน จากนั้นแผ่นทองแดงจะถูกละลายด้วยวิธีการทางเคมี และสุดท้ายกราฟีนจะถูกถ่ายโอนไปยังฟิล์ม PET โดยการให้ความร้อน

อุปกรณ์เหนี่ยวนำไฟฟ้าด้วยแสงแบบใหม่
กราฟีนมีคุณสมบัติทางแสงที่เป็นเอกลักษณ์มาก แม้ว่าจะมีอะตอมเพียงชั้นเดียว แต่ก็สามารถดูดซับแสงที่ปล่อยออกมาได้ถึง 2.3% ในช่วงความยาวคลื่นทั้งหมดตั้งแต่แสงที่มองเห็นได้ไปจนถึงอินฟราเรด ตัวเลขนี้ไม่เกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์วัสดุอื่น ๆ ของกราฟีนและถูกกำหนดโดยควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ [6] แสงที่ถูกดูดซับจะนำไปสู่การสร้างตัวนำ (อิเล็กตรอนและโฮล) การสร้างและการขนส่งตัวนำในกราฟีนนั้นแตกต่างจากในสารกึ่งตัวนำแบบดั้งเดิมมาก ทำให้กราฟีนเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์เหนี่ยวนำไฟฟ้าด้วยแสงความเร็วสูง คาดว่าอุปกรณ์เหนี่ยวนำไฟฟ้าด้วยแสงดังกล่าวอาจทำงานที่ความถี่ 500 GHz หากใช้สำหรับการส่งสัญญาณ จะสามารถส่งศูนย์หรือหนึ่งได้ 500 พันล้านตัวต่อวินาที และส่งเนื้อหาของแผ่นบลูเรย์สองแผ่นให้เสร็จสิ้นภายในหนึ่งวินาที

ผู้เชี่ยวชาญจากศูนย์วิจัย IBM Thomas J. Watson ในสหรัฐอเมริกาได้ใช้กราฟีนในการผลิตอุปกรณ์เหนี่ยวนำไฟฟ้าแสงที่สามารถทำงานได้ที่ความถี่ 10GHz [8] ขั้นแรก เตรียมแผ่นกราฟีนบนพื้นผิวซิลิคอนที่เคลือบด้วยซิลิกาหนา 300 นาโนเมตรโดยใช้วิธี "การฉีกเทป" จากนั้นจึงสร้างอิเล็กโทรดทองคำแพลเลเดียมหรือทองคำไทเทเนียมที่มีระยะห่าง 1 ไมครอนและความกว้าง 250 นาโนเมตรบนนั้น ด้วยวิธีนี้จึงได้อุปกรณ์เหนี่ยวนำไฟฟ้าแสงที่ใช้กราฟีนเป็นพื้นฐาน

แผนภาพแสดงโครงสร้างอุปกรณ์เหนี่ยวนำไฟฟ้าด้วยแสงของกราฟีน และภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ของตัวอย่างจริง เส้นสีดำสั้นในภาพแสดงถึงระยะ 5 ไมครอน และระยะห่างระหว่างเส้นโลหะคือ 1 ไมครอน

จากการทดลอง นักวิจัยพบว่าอุปกรณ์เหนี่ยวนำไฟฟ้าด้วยแสงที่มีโครงสร้างโลหะกราฟีนนี้ สามารถทำงานได้ที่ความถี่สูงสุดถึง 16 GHz และทำงานด้วยความเร็วสูงในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ 300 นาโนเมตร (ใกล้รังสีอัลตราไวโอเลต) ถึง 6 ไมครอน (อินฟราเรด) ในขณะที่หลอดเหนี่ยวนำไฟฟ้าแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองต่อแสงอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นยาวกว่าได้ ความถี่ในการทำงานของอุปกรณ์เหนี่ยวนำไฟฟ้าด้วยแสงกราฟีนยังมีโอกาสพัฒนาได้อีกมาก ประสิทธิภาพที่เหนือกว่านี้ทำให้มีโอกาสในการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการสื่อสาร การควบคุมระยะไกล และการตรวจสอบสิ่งแวดล้อม

ในฐานะวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว การวิจัยเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้กราฟีนจึงเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง เป็นการยากที่จะกล่าวถึงทั้งหมดได้ในที่นี้ ในอนาคต อาจมีหลอดสนามไฟฟ้าที่ทำจากกราฟีน สวิตช์ระดับโมเลกุลที่ทำจากกราฟีน และตัวตรวจจับระดับโมเลกุลที่ทำจากกราฟีนในชีวิตประจำวัน… กราฟีนที่ค่อยๆ ออกมาจากห้องปฏิบัติการจะส่องประกายในชีวิตประจำวันอย่างแน่นอน

เราสามารถคาดการณ์ได้ว่าผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากที่ใช้กราฟีนจะปรากฏขึ้นในอนาคตอันใกล้ ลองนึกภาพดูว่ามันน่าสนใจแค่ไหนหากสมาร์ทโฟนและเน็ตบุ๊กของเราสามารถม้วนเก็บ หนีบไว้ที่หู ใส่ในกระเป๋า หรือพันรอบข้อมือได้เมื่อไม่ได้ใช้งาน!