กำเนิด? ‘กราฟิน’ ทำไมจึงกลายเป็นวัสดุขั้นเทพ

การกำเนิดกราฟิน

กราฟิน (Graphene) เป็นวัสดุที่มีโครงสร้างคล้าย เพชร กราไฟท์ หรือ คาร์บอนนาโนทิวบ์ หากเป็นกราฟีนคุณภาพสูง จะมีความแข็งแรงมากและน้ำหนักเบามากด้วย โดยกราฟิน 1 ตารางเมตร จะมีน้ำหนักเพียง 0.77 มิลลิกรัม และแม้ในภาพที่เห็นกันจะเป็นผงที่เป็นสีดำ แต่กราฟินเกือบโปร่งแสง นำความร้อนและไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม จะเรียกว่าเป็นวัสดุในฝันเลยทีเดียว

กราฟินถูกค้นพบเมื่อหลายปีก่อน ซึ่งตรงกับปี พ.ศ. 2547 หรือ ค.ศ 2004 ในตอนนั้นมีนักวิจัยหลายคน กำลังศึกษาวัสดุที่เรียกว่า “คาร์บอนนาโนทิวบ์” ซึ่งเป็นวัสดุชนิดใหม่ในตอนนั้น และพวกเขาก็พบเข้ากับโครงสร้างที่พิเศษและถูกเรียกว่า กราฟิน (Graphene) ซึ่งเมื่อนานมาแล้ว สิ่งนี้เคยคิดว่าเป็นไปได้ในทางทฤษฎี แต่ถึงอย่างงั้นก็เป็นสิ่งที่ยังไม่สามารถสร้างขึ้นมาได้ หรือแม้จะสร้างได้ก็ยากมากๆ

จนกระทั้ง ไกม์ (Geim) และ โนโวเซลอฟ (Novoselov) นักวิจัยสองคน จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ได้ทำการทดลองง่ายๆ มันเป็นเหมือนเรื่องหลอกลวง แต่ผลของมันก็เปลี่ยนแปลงโลกไปได้เลย

สิ่งที่พวกเขาทำคือการใช้เทปเหนียวๆ แปะบนแผ่นกราไฟท์ จากนั้นก็ค่อยๆ ดึงเทปออก สิ่งที่ติดออกมากับเทปก็คือ “สะเก็ดกราไฟท์” จากนั้นก็พับเทปครึ่งหนึ่งมาติดกัน แล้วแยกออกอีกครั้ง และทำแบบเดียวกันนี้ซ้ำๆ 10 – 20 ครั้ง แต่ละครั้งสะเก็ดจะแตกออก สุดท้ายจะเหลือสะเก็ดบางๆ ติดอยู่ที่เทป จากนั้นก็ละลายเทปและทุกอย่างจะกลายเป็นสารละลาย …ซึ่งมีสิ่งที่เรียกว่ากราฟินอยู่ในนั้น

ดูเหมือนว่าวิธีติดเทปกาวจะได้ผล! ไกม์ (Geim) และ โนโวเซลอฟ (Novoselov) ได้รับการยกย่องว่าเป็นผู้ค้นพบวัสดุใหม่ที่เรียกว่ากราฟีน ซึ่งปัจจุบันเชื่อว่าเป็นวัสดุที่มนุษย์สังเคราะห์ที่ “แข็งแรงที่สุด เบาที่สุด และนำไฟฟ้าได้ดีที่สุดในโลก”

จนในปี พ.ศ. 2553 หรือ ค.ศ. 2010 ไกม์ (Geim) และ โนโวเซลอฟ (Novoselov) ก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับการค้นพบกราฟีน มันถูกเรียกว่า “วัสดุพิเศษ”

นักวิจัยทั่วโลกเริ่มหาทางใช้งานวัสดุชนิดนี้อย่างจริงจัง โดยหวังต่อไปด้วยว่า วัสดุชนิดนี้จะทำให้แบตเตอรี่ทรงพลังและใช้งานได้นาน ชาร์ตเร็วและยังปลอดภัยขึ้น ไมโครชิปก็จะเร็วขึ้น .. แต่จนถึงตอนนี้กราฟีนยังอยู่ในระหว่างการพัฒนา แต่ก็ถูกนำมาใช้กับบางสิ่งแล้ว …และที่กำลังพูดถึงมากที่สุดในตอนนี้คือ “แบตเตอรี่กราฟีน”

สรุปทำไมกราฟินจึงเป็นวัสดุเทพ!

1. กราฟีนมีความแข็งกว่าเหล็ก 200 เท่า (หากน้ำหนักเท่ากัน)
2. เบากว่ากระดาษ 1,000 เท่า
3. มีความโปร่งใสถึง 98%
4. ในอุณหภูมิห้อง กราฟินเป็นวัสดุที่นำไฟฟ้าได้ดีที่สุดเท่าที่มนุษย์รู้จัก และหากถูกปรับแต่งอีกมันจะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด ซึ่งนำไฟฟ้าโดยที่ไม่มีความต้านทานและความร้อนเป็นศูนย์อีกด้วย
5. สามารถแปลงแสงที่ความยาวคลื่นต่างๆ เป็นกระแสได้
6. เนื่องจากกราฟีนเกิดจากคาร์บอน ซึ่งเป็น 1 ใน 4 องค์ประกอบธาตุพื้นฐานที่มีมากที่สุด มันจึงไม่น่าจะหมดง่ายๆ

จาก 6 ข้อที่กล่าวมา จะเห็นว่าวัตถุชนิดนี้เทพแค่ไหน ความจริงคือ มันสามารถนำไปทำได้อีกหลายสิ่ง สิ่งนี้จะทำให้หลายๆ อย่างในโลกประสิทธิภาพสูงขึ้นมาก โดยเฉพาะกับแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูงที่จะนำมาใช้กับรถไฟฟ้า …แต่ดูเหมือนข้อเสียของกราฟินก็คือ ยังแพงมาก!

กราฟิน วัสดุสร้างทรานซิสเตอร์ขนาดอะตอม!

กราฟินนำไปสร้างแบตเตอรี่ ผมจะไม่ขอพูดถึงมาก เพราะน่าจะเกือบทุกคนได้ยินข่าวกันมาเยอะแล้ว ผมขอเอามุมที่ยังไม่ค่อยเป็นข่าวนั้นคือ การนำกราฟินไปสร้างทรานซิสเตอร์ขนาดอะตอม! แล้วสิ่งนี้หากทำสำเร็จ มันจะเปลี่ยนโลกแน่นอน?

เรื่องนี้ต้องขอเริ่มพูดถึงกฎของมัวร์ซะก่อน “กฎของมัวร์” อธิบายถึงปริมาณของทรานซิสเตอร์บนวงจรรวม หรือที่พวกเราเรียกง่ายๆ ว่าซิป ซึ่งจะเพิ่มเป็นเท่าตัวในทุกๆ สองปี นั้นหมายความว่าด้วยขนาดวงจรเท่าเดิม เราสามารถยัดทรานซิสเตอร์ลงไปได้มากขึ้นเป็นเท่าตัว

ในการศึกษาล่าสุด ที่เผยแพร่ในวารสาร Nature นักวิจัยให้รายละเอียดเกี่ยวกับการสร้างทรานซิสเตอร์เกต (transistor gate) ที่มีความยาว 0.34 นาโนเมตร หรือประมาณ 4 เท่าของความยาวของอะตอมคาร์บอน

ทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เพื่อขยายหรือเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าและพลังงาน ในขณะที่ “เกต” เป็นส่วนประกอบที่ใช้เปิดและปิดทรานซิสเตอร์ ..คิดซะว่ามันเป็นตัวควบคุม “ใช่” หรือ “ไม่ใช่” ของทรานซิสเตอร์ โดยก่อนหน้านี้ นักวิจัยพยายามทำให้ทรานซิสเตอร์เกตมีความยาว 1 นาโนเมตรหรือน้อยกว่านั้น แต่พวกเขาไม่เคยทำได้

“แม้แต่ในอนาคต แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย ที่มนุษย์จะสร้างเกตที่มีความยาวน้อยกว่า 0.34 นาโนเมตร” ผู้เขียนอาวุโสของรายงาน กล่าวกับ IEEE Spectrum ซึ่งเป็นนิตยสารที่เกี่ยวกับวิศวกรรมไฟฟ้าว่า “นี่อาจเป็นโหนด (node) สุดท้ายสำหรับกฎของมัวร์”

ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กพิเศษรุ่นก่อนๆ จะใช้ท่อนาโนคาร์บอนสำหรับเกต ..แต่หากเปลี่ยนไปใช้กราฟีน ซึ่งเป็นแผ่นคาร์บอนที่บางมากจนมีลักษณะเหมือนวัสดุ 2 มิติ

นักวิจัยจะเริ่มต้นด้วยชั้นของซิลิคอนไดออกไซด์เป็นโครงสร้างฐาน จากนั้นจึงใช้ไอระเหยเพื่อสะสมกราฟีนบนซิลิคอนไดออกไซด์ จากนั้นพวกเขาก็ประกบกราฟีนด้วยอะลูมิเนียมออกไซด์ โดยพื้นฐานแล้วจะตัดคุณสมบัติทางไฟฟ้าของกราฟีนออกจากทรานซิสเตอร์ที่เหลือ

จากนั้นพวกเขาก็แกะสลักขั้นตอนหนึ่งในวัสดุที่ประกบ จนเผยให้เห็นขอบของแผ่นกราฟีนกับผนังแนวตั้งที่ดูเป็นขั้นบันได ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วจะสร้างเกตทรานซิสเตอร์ ที่บางเทียบได้กับอะตอม

แน่นอนว่านี่ยังเป็นแนวคิดและยังอยู่ในขั้นวิจัย ยังต้องใช้เวลาอีกหลายปี ก่อนที่เราจะรวมเทคโนโลยีประเภทนี้เข้ากับไมโครชิปที่ใช้งานได้ และดูเหมือนสหภาพยุโรปที่กำลังดำเนินการวิจัยในด้านนี้ จะมีเป้าหมายเพื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคที่ใช้กราฟีน อย่างช้าคือปี พ.ศ. 2573 หรือ ค.ศ. 2030

เมล็ดกาแฟคั่ว ติดบ้าน คอฟฟี่ “หอม ชัด หนัก แน่น นาน”
Facebook : https://www.facebook.com/TitBaanCoffee

ขอเชิญทุกท่านเข้าร่วม “ชุมชนกาแฟ”
กลุ่มสังคมผู้ชื่นชอบพูดคุย แลกเปลี่ยน เรื่องกาแฟ : https://www.facebook.com/groups/chumchoncoffee

อ่านเรื่องอื่น

ชิตอน!! สัตว์ที่มีฟันสร้างจากแร่เหล็กหายาก

4 ข้อเท็จจริงของ ‘ทังสเตน’ สุดยอดโลหะเปลี่ยนโลก