ใครจะเชื่อว่าการศึกษาแร่ธรรมดาๆ ที่ใช้ทำไส้ดินสอจะนำไปสู่การค้นพบอันยิ่งใหญ่จนได้รับรางวัลโนเบล แร่ที่ว่านี้คือแกรไฟต์ หรือ กราไฟต์ (graphite) ซึ่งเป็นที่รู้จักและใช้ขีดเชียนกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ จนเป็นที่มาของชื้อ กราไฟต์ (graph = เขียน, graphite = เพื่อเขียน) แม้แต่ในภาษาไทยยังเรียกว่าแร่ดินสอดำ คาร์บอน ธาตุธรรมดาที่ไม่ธรรมดา แร่กราไฟต์เกิดจากธาตุคาร์บอนบริสุทธิเช่นเดียวกับเพชร เพียงแต่มีการจัดเรียงอะตอมที่แตกต่างกัน เพชรเกิดจากอะตอมคาร์บอนเรียงตัวเป็นผลึกทรงแปดหน้า (octahedron) ส่วนโครงสร้างของกราไฟต์มีลักษณะเป็นชั้นๆ แต่ละชั้นเกิดจากอะตอมคาร์บอนเรียงตัวเป็นรูปหกเหลี่ยม (hexagon) ต่อเนื่องกันคล้ายรังผึ้ง การเรียงตัวที่ต่างกันนี้ส่งผลเพชรและกราไฟต์มีคุณสมบัติทางกายภาพแตกต่างกัน ทั้งความแข็ง ความใส รวมทั้งมูลค่า นอกจากนี้เมื่อปี 2528 มีการค้นพบบัคกี้บอล ซึ่งเป็นคาร์บอนที่มีการจัดเรียงอะตอมอีกรูปแบบหนึ่ง และมีคุณสมบัติแตกต่างไปจากเพชรและกราไฟต์อย่างมาก (อ่านเรื่องบัคกี้บอลเพิ่มเติมได้ที่ วิชาการ.คอม) แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติต่างๆ ของคาร์บอนเปลี่ยนแปลงไปตามการจัดเรียงตัวของอะตอมได้อย่างน่าทึ่ง
บางที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
อาจารย์และศิษย์ชาวรัสเซีย อังเดร ไกม์ (Andre Geim) และคอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (Konstantin Novoselov) ผู้ศึกษาเกี่ยวกับกราไฟต์ งานวิจัยของ 2 ท่านนี้ มีแนวคิดที่แสนจะเรียบง่าย คือ พยายามทำให้กราไฟต์บางลงมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ อย่างที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นว่า โครงสร้างของกราไฟต์มีลักษณะเป็นชั้นๆ ซ้อนกันอยู่ ดังนั้นเป้าหมายของไกม์และโนโวเซลอฟจึงอยู่ที่การทำให้กราไฟต์ "บางลงจนเหลือเพียงชั้นเดียว" หรืออีกความหมายหนึ่งก็คือ "มีความหนาเท่ากับอะตอมเพียงอะตอมเดียว" นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ในขณะนั้นเชื่อว่าการสร้างวัสดุให้มีความหนาเพียงอะตอมเดียวเป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้ เพราะคาดการณ์กันว่าอะตอมจะสั่นในแนวขึ้น-ลง ทำให้โครงสร้างของวัสดุไม่เสถียร จนอาจทำให้อะตอมทั้งหมดระเหยเป็นไอ แต่ในปี 2547 ไกม์และโนโวเซลอฟ ได้พิสูจน์ว่าความเชื่อนี้ผิด หลังจากสามารถสร้างกราไฟต์ที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียวได้สำเร็จ และวัสดุนี้มีความเสถียรอย่างมาก เรียกวัสดุนี้ว่า "กราฟีน (graphene)" การค้นพบนี้ทำให้ไกม์และโนโวเซลอฟได้รางวัลโนเบลปีนี้ (2010) ไปครอง
อังเดร ไกม์
คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ
สำหรับกราไฟต์ที่โครงสร้างที่มีลักษณะเป็นชั้น แต่ละชั้นมีเพียงแรงอ่อนๆ จากแรงวันเดอร์วาลส์ยึดเหนี่ยวกันไว้เท่านั้น ซึ่งเป็นสาเหตุว่าเมื่อเราใช้ดินสอขีดเขียนบนกระดาษจะทำให้กราไฟต์ถูกกระเทาะออกและไปติดอยู่บนกระดาษเป็นตัวหนังสือ ดังนั้นหากใช้แรงกดดินสอน้อยมากๆ อาจจะสามารถทำให้ชั้นกราไฟต์เพียงชั้นเดียวแยกออกจากแท่งกราไฟต์ได้
ก่อนหน้าไกม์และโนโวเซลอฟจะสร้างกราฟีนได้สำเร็จ มีนักวิทยาศาสตร์ท่านอื่นพยายามใช้เทคโนโลยีขั้นสูงในการผ่าลอกชั้นกราไฟต์แต่ละชั้นออกจากกันเพื่อให้บางที่สุดเช่นกัน โดยนำกราไฟต์ที่บดจนเป็นชิ้นเล็กๆ ไปติดที่ปลายเข็มของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แรงของอะตอม (atomic force microscopy, AFM) แล้วใช้ปลายเข็มนี้ลากไปบนแผ่นซิลิกอน เทียบได้กับการขีดเขียนด้วยดินสอนาโน (nanopencil) เครื่อง AFM ช่วยควบคุมแรงขีดให้น้อยที่สุด เพื่อให้ชั้นคาร์บอนหลุดออกมาเพียงชั้นเดียว แต่น่าเสียดายสิ่งที่ได้มายังไม่ใช่กราฟีน แต่เป็นกราไฟต์ที่เป็นแผ่นบางๆ เท่านั้น ชั้นกราไฟต์ที่ได้มีความหนามากกว่า 10 อะตอม เมื่อวิธีการที่ใช้เทคโนโลยีสูงขนาดนี้ยังทำไม่ได้ ยิ่งเป็นการตอกย้ำความเชื่อว่าวัสดุที่หนาเพียงอะตอมเดียวไม่มีอยู่จริง แต่ไกม์และโนโวเซลอฟเปลี่ยนความเชื่อนี้ด้วยวิธีการที่ง่ายอย่างเหลือเชื่อ
วิธีการที่แสนจะง่ายดาย
วิธีการที่ไกม์และโนโวเซลอฟใช้แยกกราฟีนออกจากกราไฟต์นั้นใช้เพียงสก็อตเทปเท่านั้น! วิธีการทำก็ง่ายจนใครๆ ก็สามารถทำเองที่บ้านได้ คือ นำเศษกราไฟต์วางไว้ที่ด้านเหนียวของเทป ทบปลายอีกด้านของเทปให้แปะทับเศษกราไฟต์ให้แน่น จากนั้นดึงแยกเทปออกจากกันอย่างช้าๆ กราไฟต์จะติดอยู่ที่ด้านเหนียวของเทปที่แยกจากกันทั้ง 2 ด้าน ซึ่งเกิดจากเทปกาวดึงชั้นกราไฟต์ให้แยกจากกัน เมื่อทำซ้ำไปเรื่อยๆ ด้วยเทปกาวใหม่ ชั้นกราไฟต์จะถูกดึงแยกให้บางลงเรื่อยๆ จนเหลือเพียงชั้นเดียวในที่สุด กราฟีนจึงถูกแยกออกมาอย่างง่ายดายด้วยสก็อตเทป
ซ้าย ภาพจากเครื่อง AFM แสดงความหนาของชั้นกราไฟต์บนสก๊อตเทป บริเวณที่สีเข้ม (ส้ม) แสดงว่ามีความหนามาก
ขวา ภาพขยายแสดงให้เห็นแผ่นกราฟีน (ฟ้า)
แท้จริงแล้วกราฟีนวัสดุที่เคยคิดกันว่าไม่มีอยู่จริงนั้น พวกเราหรือแม้แต่เด็กประถมก็ผลิตออกมาเป็นประจำ กราฟีนอยู่รอบๆ ตัวเราเกือบจะตลอดเวลา ทุกครั้งที่ใช้ดินสอเขียนลงบนกระดาษกราฟีนจะหลุดออกจากไส้ดินสอกราไฟต์ติดอยู่บนกระดาษ เพียงแต่กราฟีนที่เกิดขึ้นมีปริมาณน้อยมากๆ เท่านั้น เพราะฉะนั้นความสำเร็จของไกม์และโนโวเซลอฟไม่ได้เกิดจากการสร้างกราฟีนได้สำเร็จซะทีเดียวแต่เกิดจากการพิสูจน์ให้ทุกคนยอมรับว่ากราฟีนมีอยู่จริง และพวกเค้าสามารถสร้างกราฟีนได้ นอกจากนี้คู่ศิษย์อาจารย์ยังได้ศึกษาคุณสมบัติต่างๆ และได้พบคุณสมบัติที่น่าอัศจรรย์ของกราฟีน
เมื่อพิจารณาให้ดีจะเห็นว่าโมเลกุลคาร์บอนชนิดใหม่ๆ ที่พึ่งค้นพบก่อนหน้ากราฟีน ไม่ว่าจะเป็นบัคกี้บอล หรือ คาร์บอนนาโนทิวบ์ ล้วนแล้วแต่มีกราฟีนเป็นพื้นฐานทั้งสิ้น คาร์บอนนาโนทิวบ์เกิดจากการม้วนของกราฟีน ส่วนบัคกี้บอลก็เกิดจากการตัดกราฟีนให้ได้วงแหวนหกหลี่ยม 20 วงต่อกัน แล้วนำมาม้วนพับเป็นลูกบอล
เป็นเลิศในหลายด้าน
กราฟีนได้ตำแหน่งวัสดุที่บางที่สุดอย่างไม่ต้องสงสัย มีความหนาเพียงอะตอมเดียว แสงสามารถส่องผ่านได้ เป็นวัสดุชนิดแรกที่มีเพียง 2 มิติ (กว้าง x ยาว) อย่างแท้จริง นอกจากนี้การจัดเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนอย่างเป็นระเบียบทำให้เป็นวัสดุที่แข็งที่สุดด้วย กราฟีนแข็งกว่าหล็กประมาณ 5 เท่า แต่แม้จะแข็ง (ฉีกขาดได้ยาก) แผ่นกราฟีนกลับสามารถบิดงอ ม้วน หรือพับ ได้อย่างง่ายดายโดยไม่ทำให้โมเลกุลเสียหาย
เนื่องจากการจัดเรียงที่เป็นระเบียบของอะตอมอีกเช่นกัน ที่ทำให้กราฟีนนำความร้อน และนำไฟฟ้าได้อย่างดีเยี่ยม เพราะในโครงสร้างของกราฟีนแทบจะไม่มีตำหนิเลย เมื่อกระแสอิเล็กตรอนไหลผ่านจึงไม่กระจัดกระจาย ความต้านทานไฟฟ้าจึงต่ำมาก แม้จะไม่ได้นำไฟฟ้าดีขนาดตัวนำยิ่งยวด (superconductor, เพิ่มเติมได้จากบทความของ วิชาการ.คอม) แต่จุดที่เหนือกว่าคือ กราฟีนนำไฟฟ้าได้ดีมากที่อุณหภูมิห้องซึ่งต่างจากตัวนำยิ่งยวดที่ต้องลดอุณหภูมิจนติดลบกว่าร้อยองศาเซียลเซียส
ทฤษฎีควอนตัมอธิบายว่าวัตถุที่มีขนาดเล็กระดับอนุภาคจะมีคุณสมบัติทั้งทางกายภาพ ทางไฟฟ้า และพฤติกรรมที่แตกต่างจากวัตถุที่เราจับต้องได้ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดเจน เช่น ทองคำ เป็นต้น เมื่อเป็นทองคำแท่งหรือสร้อยทอง เราจะเห็นทองคำมีสีเหลืองทอง แต่เมื่อทำให้ทองมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จนเป็นอนุภาค ทองที่มีขนาดระดับนาโนจะมีสีแดงสด ทั้งนี้เพราะคุณสมบัติเชิงแสงของทองคำที่เป็นอนุภาคกับทองคำแท่งแตกต่างกันจึงดูดกลืนและสะท้อนแสงมาสู่ตาเราต่างกันซึ่งสามารถอธิบายด้วยทฤษฎีควอนตัม สำหรับกราฟีนที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว ในมิติของความหนาจึงมีคุณสมบัติตามทฤษฎีควอนตัม แต่ในมิติของความกว้างและยาวนั้นกราฟีนกลับมีคุณสมบัติตามฟิสิกส์แบบดั้งเดิม กราฟีนจึงเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเหมือนทั้งวัตถุธรรมดาและอนุภาคควอนตัมพร้อมๆ กัน
กราฟีนในอนาคต
ด้วยคุณสมบัติต่างๆ ที่กล่าว ทำให้นักวิทยาศาสตร์เห็นศักยภาพของกราฟีนที่จะเข้ามาแทนซิลิกอนในเครื่องอิเล็กทรอนิคส์ต่างๆ ในอนาคตชิ้นส่วนของคอมพิวเตอร์ เช่น ชิปประมวลผล ซึ่งนับวันจะยิ่งถูกพัฒนาให้หน่วยทรานซิสเตอร์บนชิปมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จนใกล้ถึงขีดจำกัดทางควอนตัมของสารกึ่งตัวนำที่ทำจากซิลิกอนแล้ว คุณสมบัติของกราฟีนที่กล่าวมาน่าจะสามารถก้าวข้ามข้อจำกัดของซิลิกอนได้ไม่ยากนัก กราฟีนเล็ก (บาง) กว่า แข็งแรงกว่า นำไฟฟ้าได้ดีกว่า หมายความว่าสามารถเป็นได้ทั้งวงจรอิเล็กโทรนิค เป็นเซ็นเชอร์ตรวจวัด เป็นโซลาร์เซลล์ หรือแม้แต่เป็นโครงสร้างของตัวอุปกรณ์เอง แทบจะสามารถนำไปประยุกต์ใช้สร้างอุปกรณ์อะไรก็ได้ แต่การนำกราฟีนไปใช้ประโยชน์ โดยเฉพาะถ้าจะทำในเชิงพาณิชย์ล่ะก็ ยังมีข้อจำกัดที่ต้องแก้ให้ได้ก่อน
อุปกรณ์อิเล็กโทรนิคล้ำสมัยที่สร้างจากกราฟีนในวันนี้ยังเป็นได้เพียงจินตนาการของมนุษย์ เพราะเรายังไม่สามารถผลิตกราฟีนให้ได้ขนาดที่ต้องการในปริมาณมากเท่าที่ต้องการ การใช้เทปใสกับกราไฟต์สร้างกราฟีนที่มีขนาดเล็กกว่าหน่วยมิลลิเมตร นับว่ายังห่างไกลจากการนำมาใช้จริงมากนัก โชคดีที่คุณสมบัติที่ดีเลิศของกราฟีนเป็นที่สนใจของนักวิทยาศาสตร์มากมาย แต่ละกลุ่มพยายามพัฒนาวิธีการต่างๆ ขึ้น ไกม์และโนโวเซลอฟเองก็เช่นกันหลังจากใช้สก็อตเทปจนโด่งดังไปแล้ว ได้ลองเปลี่ยนมาใช้คลื่นอัลตราซาวน์ส่งไปที่แท่งกราไฟต์เพื่อการกระเทาะชั้นกราฟีนลงบนผิวหน้าของเหลว จากนั้นจึงทำให้แห้งเพื่อให้กราฟีนเคลือบไปบนผิวซิลิกอนที่อยู่ด้านล่าง นักวิทยาศาสตร์อีกกลุ่มหนึ่งพยายามใช้สารเคมีละลายกราไฟต์เพื่อให้ชั้นกราฟีนหลุดออกมา แล้วจึงค่อยแยกสารละลายออก นอกจากนี้อีกกลุ่มหนึ่งซึ่งมีแนวคิดที่ต่างออกไป แทนที่จะใช้วิธีการ "แยก" กราฟีนออกจากกราไฟต์ กลับใช้วิธี "ประกอบ" กราฟีนขึ้นมาจากอะตอมของคาร์บอน โดยพ่นไอของอะตอมของคาร์บอนไปยังพื้นผิวนิเกิล อาศัยนิเกิลเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเชื่อมต่ออะตอมคาร์บอนให้เป็นกราฟีน อย่างไรก็ตามยังไม่มีวิธีใดที่ผลิตกราฟีนได้ปริมาณมากและคุ้มทุนพอที่จะขายในเชิงพาณิชย์
กราฟีนพึ่งค้นพบในปี 2547 เท่านั้น ถือเป็นหัวข้อที่ใหม่มากๆ การค้นพบบางอย่างใช้เวลาหลายสิบปีหรืออาจจะถึงร้อยปีกว่าจะออกดอกออกผล และนำมาใช้ประโยชน์ได้ ดังนั้นการคาดหวังว่าจะใช้ประโยชน์จากกราฟีนแบบทันท่วงทีออกจะเป็นความคาดหวังที่สูงไปสักหน่อย แต่หากมองความก้าวหน้าของเทคโนโลยีกราฟีนจะเห็นว่าเทคโนโลยีนี้ก้าวหน้าไปเร็วมาก มีการค้นพบใหม่ๆ ปีละหลายๆ เรื่อง ซึ่งถือว่าก้าวหน้ามากสำหรับเทคโนโลยีที่พึ่งเกิดขึ้นในช่วงเวลาไม่ถึง 10 ปี จึงพอมีความหวังว่าเทคโนโลยีล้ำสมัยจากกราฟีนอาจมีให้ใช้ได้ทั่วไปในระยะเวลาไม่นานนัก
อ้างอิง
Nobelprize.org
"Graphene: Exploring Carbon Flatland", A. K. Geim and A. H. MacDonald in Physics Today, Vol. 60, pages 3541; August 2007.
"The Rise of Graphene", A. K. Geim and K. S. Novoselov in Nature Materials, Vol. 6, pages 183191; 2007
"Carbon Wonderland", A.K. Geim & P. Kim, Scientific American 90-97, April 2008.
"Grinding Out Graphene", Steven Ashley, Scientific American 20-21, March 2009.
ข้อมูลเพิ่มเติม
"นาโนทรานซิสเตอร์จากกราฟีนใกล้ความจริงขึ้นไปอีกขั้น", วิชาการ.คอม
Graphene.org
