วัสดุมหัศจรรย์ประโยชน์อนันต์
กราฟีนได้รับการยกย่องว่าเป็นวัสดุมหัศจรรย์ เพราะมีคุณสมบัติดีเด่นหลายประการรวมอยู่ในตัวเดียวกัน เช่น
ก)เป็นวัสดุที่แข็งแรงที่สุดเท่าที่เคยค้นพบกันมา มีค่าความต้านแรงดึง (tensile strength) สูงถึง 130,000,000,000 ปาสคาล (ของเหล็กกล้าเบอร์ A36 มีค่า 400,000,000 ปาสคาล และของเส้นใยสังเคราะห์เคฟลาร์ (Kevlar) มีค่า 375,700,000 ปาสคาล)
ข) เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม ทั้งนี้เพราะอะตอมคาร์บอนที่มีจำนวนอิเล็กตรอนทั้งสิ้น 6 ตัวนั้น สองตัวแรกจะอยู่ที่เชลล์ (shell) ในสุดใกล้นิวเคลียส ส่วนอีก 4 ตัวที่เหลืออยู่ที่เชลล์นอกห่างออกมา ซึ่งอิเล็กตรอนทั้ง 4 ตัวนี้พร้อมเสมอที่จะเข้ามีพันธะเคมีกับอะตอมตัวอื่น แต่ดังกล่าวแล้วข้างต้นว่าในกราฟีนนั้นอะตอมคาร์บอน 1 ตัวจะมีพันธะเคมีกับอะตอมคาร์บอนอีก 3 ตัวในระนาบ 2 มิติ ดังนั้นจึงเหลืออิเล็กตรอนอีก 1 ตัวในมิติที่สาม (ด้านบนหรือล่างของระนาบ 2 มิติ) เรียกว่า พายอิเล็กตรอน (π electron) ที่ไม่มีพันธะกับใคร จึงสามารถเคลื่อนที่ไปไหนมาไหนได้อย่างอิสระ จากการทดลองชั้นต้นพบว่าความสามารถในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน (electron mobility) ในกราฟีนมีค่าไม่ต่ำกว่า 15,000 cm2 / (V.s) แต่ในทางทฤษฎีประเมินกันว่ามีค่าได้ถึง 200,000 cm2 / (V.s) (เปรียบเทียบกับความสามารถในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในทองแดงที่มีค่า 30 cm2 / (V.s))
ค) มีค่าอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตร (surface-to-volume ratio) ที่สูงมาก นั่นคือมีขนาดพื้นที่ผิวที่ใหญ่มาก หรือพูดอีกอย่างว่าเป็นแผ่นที่บางมากๆ (บางกว่าเส้นผมประมาณ 1 ล้านเท่า) และเพราะบางมากจึงโปร่งใสมาก
ง) แต่ถึงแม้จะบางมากกลับมีความสามารถในการดูดกลืนแสงสีขาว (white light) ได้สูงถึง 2.3 เปอร์เซ็นต์ ทั้งนี้ก็เพราะบทบาทของพวกอิเล็กตรอนอิสระในกราฟีนนั่นเอง ต่างกับในเพชรที่ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระพวกนี้จึงดูดกลืนแสงได้น้อยกว่า นอกจากว่าโฟตอนของแสงจะมีพลังงานสูงมากพอ
จ) เป็นวัสดุที่เบาที่สุดในโลก ขนาดพื้นที่ 1 ตร. เมตร หนักเพียงประมาณ 0.77 มิลลิกรัม (แผ่นกระดาษขนาดพื้นที่เท่ากัน จะหนักกว่าประมาณ 100,000 เท่า)
ฉ) เป็นตัวนำความร้อนที่ยอดเยี่ยมที่สุดกว่าวัสดุอื่นใดที่มีอยู่ขณะนี้
ช) ไม่เป็นพิษกับร่างกายมนุษย์ (biocompatible) แถมมีฤทธิ์ป้องกันการก่อตัวของแบคทีเรียได้ ฯลฯ
3.ตัวอย่างการประยุกต์ใช้กราฟีน
ด้วยคุณสมบัติพิเศษต่างๆดังกล่าวข้างต้น กราฟีนจึงมีศักยภาพเชิงประยุกต์ด้านอุตสาหกรรมที่สูงมาก ดังจะยกมาเป็นตัวอย่างในลำดับต่อไปนี้
3.1)ยางล้อจักรยานผสมกราฟีน
รูปที่ 3 ยางล้อจักรยานผสมกราฟีนของบริษัท Vittoria (ที่มารูป : https://www.aliexpress.com/item/Vittoria-Corsa-G-Graphene-Road-bike-tires-700-x-23c-25c-Folding-tires-Stab-proof-tubular/32857602574.html)
บริษัท Vittoria ซึ่งเป็นผู้ผลิตยางล้อจักรยานชั้นนำของโลกสัญชาติอิตาลี เป็นผู้บุกเบิกในการนำกราฟีนมาใช้ในอุตสาหกรรมรถจักรยาน โดยกราฟีนซึ่งบางมากจะเข้าไปแทรกอยูในช่องว่างระหว่างโมเลกุลของยาง ซึ่งจะทำให้ยางล้อมีสมรรถนะดีขึ้น ช่วยให้การขับขี่จักรยานมีประสิทธิภาพสูงขึ้นในหลายแง่ เช่น การทำระยะทาง (mileage), การทำความเร็ว (speed), การรักษาความดันลมยาง (air retention), การยึดเกาะถนนเปียก (grip) และความทนทานต่อการทะลุ (cut resistance) ดังจะเห็นผลการทดสอบได้จากรูปที่ 4
รูปที่ 4 กราฟเปรียบเทียบประสิทธิภาพ 5 ด้านของการใช้จักรยานวิบากและจักรยานทางเรียบ โดยเปรียบเทียบระหว่างเมื่อใช้ยางล้อธรรมดา (สีฟ้า), ยางล้อที่ผสมกราฟีนรุ่นที่ 1 (สีส้ม) กับรุ่นที่ 2 (สีเทา)ของบริษัท Vittoria ซึ่งจะเห็นได้ว่ายางล้อที่ผสมกราฟีนมีประสิทธิภาพสูงกว่าอย่างเห็นได้ชัดในทุกด้าน (ที่มารูป: https://www.vittoria.com/us/graphene-technology)
3.2)หมึกผสมกราฟีน
ในอดีตแบ่งหมึก (ink) ในแง่ของการใช้งานออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือหมึกสำหรับงานเขียนกับหมึกสำหรับงานพิมพ์ ต่อมาเกิดหมึกประเภทที่ 3 ขึ้น คือหมึกนำไฟฟ้า (conductive ink) เช่นหมึกเงิน หรือหมึกทองแดง (silver-based หรือ copper-based conductive ink) ใช้ในการพิมพ์ตั๋วรถไฟ, ตั๋วเครื่องบิน, ป้าย RFID (radio-frequency identification tag) และกล่องบรรจุภัณฑ์อัจฉริยะ เป็นต้น แต่หลังจากการค้นพบกราฟีนของศาสตราจารย์ เซอร์ Geim กับศาสตราจารย์ เซอร์ Novoselov ได้มีการคิดนำกราฟีนมาผสมแทนโลหะ เกิดเป็นหมึกนำไฟฟ้ากราฟีนที่กำลังเป็นดาวรุ่งพุ่งแรง เพราะนอกจากจะมีคุณสมบัติดีเด่นพิเศษหลายประการดังกล่าวแล้วในหัวข้อ ที่ 2 หมึกกราฟีนยังเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม สิ่งของที่พิมพ์ด้วยหมึกเงินไม่สามารถนำไปรีไซเคิลได้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบใช้ครั้งเดียวทิ้งที่แผงวงจรพิมพ์ด้วยหมึกเงินต้องกำจัดด้วยการเผาทำลายเท่านั้น แต่ถ้าใช้หมึกกราฟีนสามารถนำไปรีไซเคิลได้ทุกอย่าง ตัวอย่างประโยชน์เชิงอุตสาหกรรมของหมึกกราฟีนมีดังต่อไปนี้
- ใช้ในการผลิตกล่องบรรจุภัณฑ์อัจฉริยะที่สามารถสื่อสารได้ว่าอาหารที่อยู่ข้างในเริ่มบูดแล้ว หรือ ยาในกล่องได้กระทบกับอุณหภูมิที่สูงเกินไปมาแล้ว เป็นต้น
- การใช้หมึกกราฟีนดัดแปลงฝ้ายหรือเส้นใยต่างๆจะทำให้สามารถนำไฟฟ้าได้ ซึ่งเปิดทางไปสู่สิ่งทออิเล็กทรอนิกส์ (e-textiles หรือ smart textiles) ที่มีประโยชน์ต่ออุตสาหกรรมต่างๆเช่นการแพทย์และการดูแลสุขภาพ, การกีฬา, เสื้อเกราะและชุดสวมใส่ของทหารหรือตำรวจ ฯลฯ
- ใช้ในการพัฒนาเทคโนโลยีหน้าจอสัมผัสและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่โค้งงอได้, เซนเซอร์ของการเชื่อมต่ออัจฉริยะ (smart connection) และอินเทอร์เน็ตของทุกสรรพสิ่ง (IoT)
ขอบคุณแหล่งข้อมูล http://thep-center.org
