ความรู้เรื่องกราฟีน ทฤษฎีกราฟีน การกำเนิดกราฟีน ผู้คนพบกราฟีน

สารกราฟีนมาจากไหน เกิดขึ้นได้อย่างไร ใครเป็นผู้ค้นพบ ทำไมถึงเป็นสารมหัศจรรย์

กราฟีนถูกค้นพบและแยกออกมาได้ครั้งแรกในปี 2004 โดยนักวิทยาศาสตร์ 2 ท่านคือ เซอร์อังเดร ไกม์ (Sir Andre Geim)
และ เซอร์คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (Sir Konstantin Novoselov) จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ สหราชอาณาจักรในปี ค.ศ. 2010
เมื่อสถาบัน Royal Swedish Academy of Sciences แห่งสวีเดนประกาศมอบรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์แก่ Andrey Geim และ Konstantin Novoselov
แห่งมหาวิทยาลัย Manchester ในอังกฤษ จากผลงานการพบกราฟีน
ซึ่งประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนที่จัดเรียงเป็นรูปหกเหลี่ยมด้านเท่า เป็นอะตอมระนาบเดียว มันจึงเป็นวัสดุที่บางที่สุดในโลก

ผู้พัฒนาเทคนิคพิศษ
การสกัดสารกราฟีนด้วยกรรมวิธีทางเคมี แบบทำให้เกิดการประทุแยกชั้นจากภายในช่องรูพลุนของสารกราไฟท์ ด้วยความร้อนทางเคมี
โดยอาจารย์เอกสิริ ธีรกุล CEO บริษัท เอเคอี อินโนเวชั่น ผู้ผลิตสารกราฟีนประเทศไทย

ทฤษฎีองค์ความรู้เรื่องกราฟีน
 
เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา ศ.ดร. อังเดร ไกม์ กับ ศ.ดร.คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ บุคลากรจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์
พวกเขาเจอสิ่งที่เรียกว่า “กราฟีน” วัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษหลายอย่างจนเรียกได้ว่าเป็นวัสดุมหัศจรรย์
สิ่งนี้ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ไปในที่สุด และมันก็เป็นจุดเริ่มต้นที่ดึงดูดให้ผู้คนจากทั่วโลกจับตามองกราฟีนกันมากขึ้น

          กราฟีน คือวัสดุที่เป็นส่วนหนึ่งของแกรไฟต์
มันคือการเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนในรูปแบบโครงสร้างหกเหลี่ยม และเรียงตัวกันเพียงชั้นเดียวเท่านั้น
คุณสมบัติอย่างแรกของกราฟีนจึงเป็นความบางและโปร่งใส
หากเทียบให้เห็นความแตกต่างที่ชัดเจนแล้ว กราฟีนบางกว่าความหนาของเส้นผมคนเราเสียอีก บางจนไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า
ต้องส่องด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเท่านั้นเราถึงจะมองเห็นเป็นเยื่อบางๆ ที่อาจจะแผ่กว้างหรือซ้อนทับกันคล้ายกับกระดาษยับๆ ก็ได้
ความน่าทึ่งอีกอย่างหนึ่งก็คือเราสามารถสร้างกราฟีนแบบง่ายๆ
การลอกผิวกราไฟต์ออกเป็นชั้นๆด้วยสก็อตเทปธรรมดา
ใช้สก๊อตเทป แปะลงไปบนแกรไฟต์ หรือผงจากไส้ดินสอ แล้วก็แปะลงบนสก็อตเทปอีกแผ่นเพื่อดึงชั้นกราไฟต์ออกทำไปเรื่อยๆ ก็จะได้กราฟีนเพิ่มขึ้น และหนาขึ้น
แต่วิธีนี้เราจะไม่ได้กราฟีนที่นำไปใช้ประโยชน์ได้จริง เพราะได้เพียงผลอันน้อยนิด เราต้องมีขบวนการผลิตทางอุตสาหกรรมที่สามารถนำกราฟีนไปใช้ในอุตสาหกรรมได้

การพัฒนาสารกราฟีน

• ทฤษฎี: ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ได้เริ่มศึกษาโครงสร้างของกราไฟต์และคาดการณ์ถึงความเป็นไปได้ที่จะมีโครงสร้างคาร์บอนแบบสองมิติ
  อย่างไรก็ตาม ในเวลานั้น นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่า วัสดุสองมิติไม่สามารถคงสภาพอยู่ได้ด้วยตัวเองในสภาวะปกติ เพราะคิดว่าจะไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamically Unstable)
• การวิจัยกราไฟต์: มีการวิจัยเกี่ยวกับกราไฟต์และวัสดุคาร์บอนมาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งปูทางไปสู่ความเข้าใจในคุณสมบัติของคาร์บอนในรูปแบบต่างๆ
• การทดลองที่พลิกความเชื่อ: สิ่งที่ไกม์และโนโวเซลอฟทำคือการพิสูจน์ว่ากราฟีนสามารถคงอยู่ได้จริง พวกเขาใช้วิธีที่เรียบง่ายแต่ชาญฉลาดมาก
  นั่นคือ การใช้เทปกาว ลอกชั้นกราไฟต์ออกมาทีละชั้นๆ จากก้อนกราไฟต์ธรรมดา (ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้ในดินสอ)
  จนกระทั่งได้ชั้นคาร์บอนที่บางเพียงอะตอมเดียว นี่คือ "การค้นพบ" ที่พลิกความเชื่อเดิมๆ ว่าวัสดุสองมิติไม่สามารถมีอยู่ได้จริง
  

แม้ว่ากราฟีนจะถูกแยกออกมาได้จริงในปี 2004 แต่แนวคิดและทฤษฎีเกี่ยวกับโครงสร้างสองมิติของคาร์บอนไม่ได้เพิ่งเกิดขึ้นใหม่ แต่มีมานานแล้ว:

• ทฤษฎี: ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ได้เริ่มศึกษาโครงสร้างของกราไฟต์และคาดการณ์ถึงความเป็นไปได้ที่จะมีโครงสร้างคาร์บอนแบบสองมิติ อย่างไรก็ตาม ในเวลานั้น นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่าวัสดุสองมิติไม่สามารถคงสภาพอยู่ได้ด้วยตัวเองในสภาวะปกติ เพราะคิดว่าจะไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamically Unstable)
• การวิจัยกราไฟต์: มีการวิจัยเกี่ยวกับกราไฟต์และวัสดุคาร์บอนมาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งปูทางไปสู่ความเข้าใจในคุณสมบัติของคาร์บอนในรูปแบบต่างๆ
• การทดลองที่พลิกความเชื่อ: สิ่งที่ไกม์และโนโวเซลอฟทำคือการพิสูจน์ว่ากราฟีนสามารถคงอยู่ได้จริง
  พวกเขาใช้วิธีที่เรียบง่ายแต่ชาญฉลาดมาก นั่นคือ การใช้เทปกาว ลอกชั้นกราไฟต์ออกมาทีละชั้นๆ จากก้อนกราไฟต์ธรรมดา (ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้ในดินสอ)
  จนกระทั่งได้ชั้นคาร์บอนที่บางเพียงอะตอมเดียว นี่คือ "การค้นพบ" ที่พลิกความเชื่อเดิมๆ ว่าวัสดุสองมิติไม่สามารถมีอยู่ได้

วิธีการผลิตกราฟีน

คุณภาพของกราฟีน ขึ้นอยู่กับกรรมวิธีการสกัด การได้สารกราฟีนก็จะต่างกันไปตามกระบวนการผลิต
และถูกนำไปใช้ประโยชน์ในรูปแบบที่ต่างกันตามคุณสมบัติของกราฟีนที่ผลิตได้ กราฟีนที่มีคุณภาพสูงจะถูกใช้มากในวงการอิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า
ส่วนที่เกรดต่ำลงมาก็จะเอาไปทำเป็นวัสดุกลุ่มคอมโพสิทแทน เทคนิคที่ใช้ผลิตกราฟีนในปัจจุบันมีดังนี้

1. Chemical Vapour Deposition
   เป็นกระบวนการที่เอาเรื่องความร้อนและคุณสมบัติของก๊าซมีเทนเข้ามาช่วย โดยนำโลหะเข้าไปในเตาเผาที่มีก๊าซมีเทนอยู่ เมื่ออุณหภูมิถึงระดับที่เหมาะสมจะเกิดการสลายตัวของอะตอม เหลือไว้เพียงชั้นคาร์บอนที่เกาะบริเวณผิวโลหะเท่านั้น เราจะได้กราฟีนคุณภาพสูงมากแถมยังควบคุมจำนวนชั้นของกราฟีนที่ต้องการได้ด้วย

2. ผลิตด้วยกระบวนการทางเคมี
   โดยใช้การออกซิไดซ์และการทำปฏิกิริยารีดักชันร่วมกัน เริ่มจากการดึงชั้นแกรไฟต์ให้ออกห่างจากกันแล้วค่อยลดหมู่ฟังก์ชันออกซิเจนลง
   วิธีการนี้จะได้กราฟีนที่คุณภาพด้อยกว่า Chemical Vapour Deposition แต่ก็มีดีตรงที่สามารถผลิตได้ครั้งละมากๆ

ความสำคัญของการค้นพบ:

การค้นพบและแยกกราฟีนได้สำเร็จในปี 2004 นี้ ได้เปิดศักราชใหม่ของการวิจัยวัสดุสองมิติ และทำให้ไกม์และโนโวเซลอฟได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2010
จาก "การทดลองที่ก้าวล้ำเกี่ยวกับกราฟีนแบบสองมิติ" (for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene)
ซึ่งถือเป็นการตอกย้ำถึงความสำคัญของการค้นพบนี้ที่นำไปสู่วิทยาการและนวัตกรรมใหม่ๆ มากมาย

และการค้นพบเทคนิคพิเศษ ในการสกัด และการผลิตสารกราฟีนโดย อาจารย์เอกสิริ ธีรกุล CEO บริษัท เอเคอี อินโนเวชั่น จำกัด
เรามีเทคโนโลยีการผลิตกราฟีนคุณภาพสูงของเราเอง

กราฟีน (Graphene) คืออะไร
กราฟีน (Graphene) คือวัสดุที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนที่เรียงตัวกันเป็นชั้นเดียวในโครงสร้างแบบสองมิติคล้ายรังผึ้ง มีความบางที่สุดในโลกเพียง 1 อะตอมเท่านั้น
แต่มีคุณสมบัติที่โดดเด่นและน่าทึ่งหลายประการ ทำให้ถูกขนานนามว่าเป็น "วัสดุแห่งอนาคต"

คุณสมบัติเด่นของกราฟีน:

• ความแข็งแรงสูง: กราฟีนแข็งแรงกว่าเหล็กกล้า 200 เท่า และมีความต้านทานแรงดึงสูงมาก แม้จะบางเพียงอะตอมเดียว
• การนำไฟฟ้าและความร้อนที่ดีเยี่ยม: กราฟีนนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดงหลายล้านเท่า และเป็นตัวนำความร้อนที่ดีที่สุดในบรรดาวัสดุที่รู้จัก ทำให้เป็นทางเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์
• ความยืดหยุ่นสูง: กราฟีนสามารถงอและบิดตัวได้โดยไม่เสียรูปทรง ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น
• น้ำหนักเบาและโปร่งใส: มีน้ำหนักเบามากและเกือบโปร่งใส
• ไม่เป็นพิษและต้านแบคทีเรีย: กราฟีนเป็นวัสดุที่ไม่เป็นพิษต่อร่างกายมนุษย์ (biocompatible) และมีฤทธิ์ยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย

การนำกราฟีนไปใช้ประโยชน์:

ด้วยคุณสมบัติที่โดดเด่นเหล่านี้ กราฟีนจึงมีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในหลากหลายอุตสาหกรรม ดังนี้:

• อิเล็กทรอนิกส์: ใช้ผลิตวงจรอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่โค้งงอได้ จอสัมผัสที่ทนทาน เซ็นเซอร์ที่มีความไวสูง (เช่น เซ็นเซอร์ชีวภาพ, เซ็นเซอร์เคมี) อุปกรณ์ระบายความร้อนสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ และแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและชาร์จเร็วขึ้นสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า
  
• วัสดุศาสตร์:
  • เพิ่มความแข็งแรง: ผสมกับวัสดุอื่น ๆ เช่น คอนกรีต เพื่อเพิ่มความแข็งแรงได้ถึง 35% ด้วยปริมาณกราฟีนเพียง 0.1%
    นอกจากนี้ยังใช้ผสมในพลาสติก ยาง (เช่น ยางล้อจักรยานเพื่อเพิ่มสมรรถนะ) และเส้นใยผ้า เพื่อเพิ่มความทนทานและแข็งแรง
  • การเคลือบผิว: ใช้เคลือบวัสดุเพื่อป้องกันการกัดกร่อน เช่น การเคลือบฟินในเครื่องปรับอากาศเพื่อยืดอายุการใช้งาน
• สิ่งทอ: พัฒนาเป็นเส้นใยอัจฉริยะ (Smart Textile) ที่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้ หรือเสื้อผ้าที่ให้ความร้อน
• พลังงาน: ใช้ในการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น และระบบกักเก็บพลังงานอื่น ๆ
• สิ่งแวดล้อม: ช่วยในการบำบัดน้ำเสีย การกรองอากาศ และการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ในสีทาอาคาร
• การแพทย์: มีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในด้านการนำส่งยา การตรวจวินิจฉัยโรค และอุปกรณ์ทางการแพทย์ เนื่องจากไม่เป็นพิษต่อร่างกาย

กราฟีนสกัดมาจากผงคาร์บอน

กราฟีนทำมาจากคาร์บอน โดยเป็นชั้นของอะตอมคาร์บอนที่เรียงตัวกันเป็นวงหกเหลี่ยมคล้ายรังผึ้งมีความหนาเพียง 1 อะตอม

ชนิดของกราฟีนหลักๆ ได้แก่:

• Graphene (กราฟีนแท้): เป็นกราฟีนบริสุทธิ์ที่มีเพียง 1 ชั้นอะตอมคาร์บอน
• Few-Layer Graphene (FLG) หรือ Multi-Layer Graphene (MLG): เป็นกราฟีนที่มีไม่กี่ชั้นหรือหลายชั้นซ้อนกัน
• Graphene Oxide (GO): เป็นกราฟีนที่ผ่านกระบวนการออกซิเดชัน ทำให้มีหมู่ฟังก์ชันออกซิเจนเกาะอยู่ ทำให้สามารถกระจายตัวในน้ำได้ดี
• Reduced Graphene Oxide (rGO): เป็น Graphene Oxide ที่ถูกลดหมู่ฟังก์ชันออกซิเจนออกไปบางส่วน ทำให้คุณสมบัตินำไฟฟ้ากลับมาดีขึ้น

กระบวนการผลิตกราฟีนมีหลายวิธี เช่น:

1. Mechanical Exfoliation (การลอกเชิงกล): เป็นวิธีแรกที่ค้นพบ ใช้เทปกาวลอกกราไฟต์ออกเป็นชั้นๆ จนได้กราฟีนชั้นเดียว
   เป็นวิธีที่ได้กราฟีนคุณภาพสูงแต่ผลิตได้น้อย ไม่เหมาะกับการผลิตเชิงอุตสาหกรรม
2. Chemical Vapor Deposition (CVD): เป็นการสังเคราะห์กราฟีนบนพื้นผิวโลหะ (เช่น ทองแดง นิกเกิล) โดยใช้ก๊าซคาร์บอน (เช่น มีเทน) ผ่านกระบวนการความร้อน
   ทำให้ได้กราฟีนที่มีคุณภาพดีและผลิตได้ในพื้นที่ขนาดใหญ่
3. Oxidation-Reduction Method (วิธีออกซิเดชัน-รีดักชัน): เริ่มจากการทำปฏิกิริยาออกซิเดชันกราไฟต์ให้เป็นกราฟีนออกไซด์ (Graphite Oxide)
   จากนั้นจึงนำไปผ่านกระบวนการลด (Reduction) เพื่อกำจัดหมู่ออกซิเจนออกไป กลายเป็น Reduced Graphene Oxide (rGO)
   วิธีนี้สามารถผลิตได้ในปริมาณมากและต้นทุนต่ำ แต่คุณภาพอาจด้อยกว่าวิธีอื่น
4. Liquid-Phase Exfoliation (การลอกในสารละลาย): ใช้การกระจายกราไฟต์ในสารละลายที่เหมาะสม แล้วใช้คลื่นอัลตราโซนิก (Ultrasonic)
   เพื่อแยกชั้นกราไฟต์ออกเป็นกราฟีน วิธีนี้สามารถผลิตได้ในปริมาณมาก
5. Flash Joule Heating (การให้ความร้อนอย่างฉับพลัน): เป็นวิธีใหม่ที่สามารถแปลงขยะที่มีคาร์บอน
   (เช่น ขยะเกษตร) ให้เป็นกราฟีนได้ โดยให้กระแสไฟฟ้าปริมาณสูงเพื่อสร้างความร้อนสูงมากอย่างรวดเร็ว ทำให้ได้กราฟีนคุณภาพดีและรวดเร็ว

กล่าวได้ว่า กราฟีนเป็นวัสดุมหัศจรรย์ที่มีศักยภาพสูงสุด ในการเปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีและอุตสาหกรรมหลายแขนงในอนาคต

ลิงค์ไปสู่ผู้ผลิตสารกราฟีนคุณดภาพสูง

ข้อมูลเหล่านี้ เขียนขึ้นโดยอาจารย์เอกสิริ ธีรกุล ขอสงวนสิทธิ์ทั้งหมด หากต้องการนำไปเผยแพร่ ให้แสดงแหล่งที่มาของเนื่้อหามาจากเพจเว็บไซตฺ์นี้