ทำความรู้จัก “กราฟีน” แผ่นคาร์บอนบางๆ ที่แกร่งดั่งเพชร

ลองจินตนาการถึงวัสดุที่ยืดหยุ่น เบาเหมือนแผ่นฟอยล์ แต่แกร่งพอจะหยุดลูกกระสุนปืนไว้ได้สิครับ ว่ามันเจ๋งขนาดไหน ถ้าวัสดุลักษณะนี้มีอยู่จริง  เสื้อผ้าธรรมดาก็อาจซ้อนวัสดุชนิดนี้เข้าไปเพื่อให้กันกระสุนได้ และอาจนำมาซึ่งการประยุกต์ใช้ต่างๆ นานาได้มากมาย

    ฟังดูไม่น่าเป็นไปได้ที่นักวิทยาศาสตร์จะสร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติประหลาดเช่นนี้ แต่ล่าสุดเมื่อเดือนธันวาคม ปี 2017 สิ่งที่ใกล้เคียงวัสดุดังกล่าวถูกสร้างขึ้นแล้วโดยทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนิวยอร์ค (City University of New York)  ที่น่าทึ่งคือ ทีมนักวิจัยใช้วัตถุดิบตั้งต้นเป็นเพียงอะตอมของคาร์บอนเท่านั้น

    อะตอมของคาร์บอนนั้นมหัศจรรย์ยิ่งนัก เนื่องจากมันสามารถเรียงต่อกันเป็นสายยาวได้ ทำให้มันกลายเป็นโครงสร้างหลักของสารที่ประกอบกันเป็นสิ่งมีชีวิต ทั้งคาร์โบไฮเดรตและโปรตีนหลายชนิด

    หากนำคาร์บอนมาเรียงต่อกันอย่างเหมาะสม มันสามารถกลายเป็นเพชรที่เลอค่าได้  แต่ถ้านำมาจัดเรียงในอีกรูปแบบหนึ่ง มันจะกลายเป็นแค่ถ่านหรือไส้ดินสอ ที่เรียกว่าแกรไฟต์ ซึ่งไม่ได้มีราคามากมาย

แต่ถ้าเราสามารถดึงแผ่นแกรไฟต์ออกมาเพียงชั้นเดียวได้ มันจะกลับกลายเป็นของมีค่าขึ้นมา!  

    แผ่นอะตอมคาร์บอนที่เรียงกันเป็นชั้นเดียวถูกเรียกว่า กราฟีน (graphene)  เป็นวัสดุที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจมากๆ ถึงขั้นที่นักฟิสิกส์ที่ค้นพบวิธีสังเคราะห์มัน ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์มาแล้ว

    เมื่อ 7 ปีก่อน รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2010 มอบให้กับสองนักฟิสิกส์เชื้อชาติรัสเซีย อังเดร ไกม์ (Andre Geim) และ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (Konstantin Novoselov) ผู้สังเคราะห์กราฟีนได้สำเร็จ เหตุที่ทั้งสองได้รางวัลโนเบลเพราะกราฟีนนั้นสังเคราะห์ยากเสียจนนักฟิสิกส์ยุคก่อนๆ ถอดใจ และนักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่ามันไม่มีทางสังเคราะห์ได้ ก็จะไม่ยากได้อย่างไรในเมื่อกราฟีนแต่ละแผ่นนั้นบางเฉียบ ต้องใช้กราฟีนซ้อนกันราว 3 ล้านชั้นจึงจะได้ไส้ดินสอที่หนาเพียง 1 มม. เท่านั้น

    หลังจากสังเคราะห์กราฟีนขึ้นมาได้ นักวิทยาศาสตร์พบว่ากราฟีนนั้นมีคุณสมบัติน่าทึ่งมากมาย เช่น นำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดง  หากนำกราฟีนไปผสมกับพลาสติกเพียง 1% ก็จะทำให้พลาสติกนำไฟฟ้าได้ ฯลฯ จนนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากเชื่อว่ามันเป็นวัสดุแห่งอนาคต

    ล่าสุด ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนิวยอร์กพบว่าแผ่นกราฟีนเพียงชั้นเดียวนั้นมีความนุ่มและบอบบาง แต่หากนำแผ่นกราฟีนมาซ้อนกันสองชั้น เมื่อมันถูกกระแทกจะสามารถกลายเป็นโครงสร้างของเพชรที่แข็งและไม่ยอมให้อะไรทะลุผ่านมันไปได้ วัสดุบางเบาสุดแกร่งนี้จึงถูกเรียกว่า diamene  (นอกจากนี้ diamene ยังมีคุณสมบัติเชิงอิเล็กทรอนิกส์อย่างการนำไฟฟ้าที่น่าสนใจด้วย)

    จากนั้นทีมนักวิจัยสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่ออธิบายความแกร่งของ diamene ผลปรากฏว่าการทดลองและแบบจำลองสอดคล้องกันดี ที่น่าสนใจคือ แบบจำลองทำนายว่ากราฟีนที่ซ้อนกันมากกว่าสองชั้นไม่ได้ทำให้เกิดวัสดุที่แกร่งเหมือนเพชรอย่างการซ้อนกันสองชั้น ซึ่งเมื่อทดลองก็พบว่าเป็นจริง

    ความสำเร็จของงานวิจัยนี้ส่วนหนึ่งมาจากเทคนิคการสร้างกราฟีนซึ่งทำให้นักวิจัยศึกษาสมบัติของมันได้

    แม้ในตอนนี้ ความแข็งแกร่งนี้จะเป็นสภาวะที่ไม่มีเสถียรภาพ แต่ในอนาคตถ้านักวิทยาศาสตร์สามารถทำให้มันอยู่ในสภาวะที่เสถียรได้ การประยุกต์ใช้ที่กล่าวมาข้างต้นน่าจะเกิดขึ้นตามมาอย่างไม่ต้องสงสัย

อ้างอิง

งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการ Nature Nanotechnology

• https://www.nature.com/articles/s41565-017-0023-9
• http://www.asrc.cuny.edu/2017/12/18/diamene-study/

บทความโดย ป๋องแป๋ง อาจวรงค์ จันทมาศ