กราฟีน : วัสดุมหัศจรรย์ประโยชน์อนันต์

1.บทนำ

ท่านผู้อ่านคงเคยได้ยินเรื่องของวัสดุมหัศจรรย์ที่เรียกกันว่ากราฟีน (graphene) มาได้สักพักแล้ว เพราะถูกค้นพบตั้งแต่เมื่อปีพ.ศ. 2547 และผู้ค้นพบทั้ง 2 ท่านก็ได้รับรางวัลโนเบลไปแล้วเมื่อปีพ.ศ. 2553 ในวันนี้จึงอยากมาดูว่าหลังจากผ่านไป 15 ปี ได้มีการนำกราฟีนไปใช้ประโยชน์ในแง่มุมใดบ้างแล้ว

ก่อนอื่นอดไม่ได้ที่จะภูมิใจว่า เป็นอีกครั้งหนึ่งที่ผลงานจากมันสมองและความทุ่มเทของนักฟิสิกส์ได้นำพาโลกให้ก้าวหน้าไปอีก 1 ก้าวใหญ่ๆ ไม่น่าจะแพ้เรื่องของทรานซิสเตอร์, เลเซอร์, LED, ฯลฯ ที่ได้เปลี่ยนโฉมหน้าโลกไปก่อนหน้าแล้ว เพราะผู้ค้นพบทั้งสองท่านนั้นเป็นนักฟิสิกส์แท้ๆ คนแรกมีชื่อว่า Andrei Geim (ออกเสียงว่า อังเดร เกม) ส่วนคนที่สองมีชื่อว่า Konstantin Novoselov [1] (รูปที่ 1)

รูปที่ 1 ภาพถ่ายของศาสตราจารย์ เซอร์ Andrei Konstantin Geim (ซ้าย ) กับ ศาสตราจารย์ เซอร์ Konstantin Novoselov (ขวา) ทั้งสองท่านเป็นคนรัสเซียโดยกำเนิด ศาสตราจารย์ เซอร์ Geim เกิดที่เมืองโซชิ (Sochi) ในประเทศรัสเซียเมื่อปีพ.ศ. 2501 ในปีพ.ศ. 2544 ได้ย้ายจากเนเธอร์แลนด์มารับตำแหน่งศาสตราจารย์ทางฟิสิกส์ที่ University of Manchester  ปัจจุบันถือสัญชาติดัตช์-อังกฤษ และดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการของศูนย์วิจัย Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology ส่วนศาสตราจารย์ เซอร์ Novoselov เกิดที่เมือง Nizhny Tagil ในประเทศรัสเซียเมื่อปีพ.ศ. 2517  หลังเรียนจบปริญญาโทจาก Moscow Institute of Physics and Technology ในปีพ.ศ. 2540 ได้รับทุนการศึกษาให้มาเรียนต่อระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย Radboud University Nijmegen ประเทศเนเธอร์แลนด์ โดยมีศาสตราจารย์ เซอร์ Geim เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา ซึ่งได้จบการศึกษาในปีพ.ศ. 2547 แต่ในระหว่างกำลังศึกษาได้ย้ายตามอาจารย์มาอยู่ที่ University of Manchester สหราชอาณาจักร เมื่อปีพ.ศ. 2544 ปัจจุบันถือสัญชาติรัสเซีย-อังกฤษ (ที่มารูป : https://www.npr.org/templates/story/story.php?storyId=130353581)

2.ข้อมูลของกราฟีนโดยสังเขป

กราฟีนเป็นผลึก 2 มิติของคาร์บอนบริสุทธิ์ หรืออาจพูดได้อีกอย่างว่าเป็นแผ่นคาร์บอนบริสุทธิ์ที่บางมากๆ มีความหนาเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมคาร์บอนเพียง 1 ตัวเท่านั้น  (รูปที่ 2) ในตอนเริ่มแรกแผ่นกราฟีนที่ทำได้ยังเป็นเพียงเกล็ดชิ้นเล็กๆมีขนาดไม่เกิน 1 ตร. มิลลิเมตรเท่านั้น แต่ปัจจุบันมีวิธีการใหม่ๆที่จะผลิตแผ่นกราฟีนขนาดพื้นที่ระดับ 0.5 x 0.5 ตร. เมตร หรือใหญ่กว่าได้แล้ว

รูปที่ 2 ภาพวาดโครงข่ายอะตอมคาร์บอนที่อยู่กันอย่างเป็นระเบียบแบบ hexagonal (สีแดง) ของแผ่นกราฟีน (single-layered graphene) วัตถุทรงกลมทั้งหลายที่เห็นล้วนแทนอะตอมคาร์บอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1.34 อังสตรอม (หรือ 0.000000134 มิลลิเมตร) ส่วนเส้นตรงสั้นๆที่เชื่อมอะตอมคาร์บอนทั้งหลายเข้าด้วยกันเป็นโครงข่ายดังกล่าว แทนพันธะยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมคาร์บอน จะเห็นได้ว่าอะตอมคาร์บอนตัวหนึ่งๆจะผูกพันอยู่กับอะตอมคาร์บอนอื่นอีก 3 ตัวด้วยพันธะแบบ covalent ซึ่งเป็นพันธะเคมีชนิดหนึ่งที่แข็งแรงมาก หรือพูดอีกอย่างว่ามี 3 พันธะ covalent ต่อ 1 อะตอม (แทนที่จะเป็น 4 ต่อ 1 เหมือนอย่างโครงสร้างของเพชร) อิเล็กตรอนจึงเคลื่อนที่บนแผ่นกราฟีนอย่างมีอิสระสูงมาก ระยะห่างระหว่างอะตอมคาร์บอนที่ใกล้ที่สุดคือประมาณ 1.42 อังสตรอม (หรือ 0.000000142 มิลลิเมตร) และก็เพราะพันธะที่แข็งแรงและสั้นนี้เองที่ทำให้วัสดุ 2 มิติอย่างกราฟีนมีเสถียรภาพอยู่ได้ ทั้งๆที่เคยเชื่อกันว่าไม่สามารถดำรงอยู่ได้ในโลกของความเป็นจริงเพราะจะไร้เสถียรภาพด้วยผลของความร้อนจากสิ่งแวดล้อม กราฟีนเป็นวัสดุ 2 มิติชนิดแรกสุดที่ถูกค้นพบ (ที่มารูป : https://www.sciencephoto.com/media/209377/view/graphene-sheet)

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)

รูปที่ 5 หมึกนำไฟฟ้าผสมกราฟีนของบริษัท Vorbeck Materials แห่งแมรีแลนด์ สหรัฐอเมริกา (ที่มารูป: www.owler.com/company/vorbeck)

รูปที่ 6 เทคโนโลยีการพิมพ์ด้วยหมึกกราฟีนที่มีอัตราเร็วสูงในเชิงพาณิชย์ได้รับการพัฒนาโดยบริษัท Novalia ร่วมกับคณะนักวิจัยของ Cambridge Graphene Center แห่งสหราชอาณาจักร (ที่มารูป: http://www.eng.cam.ac.uk/news/phd-student-richard-howe-awarded-nanodtc-translational-prize-fellowship)

3.3)แบตเตอรี่กราฟีน

ปัจจุบันแบตเตอรี่เป็นสิ่งที่มนุษย์จะขาดไม่ได้ไปเสียแล้ว เพราะเป็นแหล่งพลังงานของโทรศัพท์เคลื่อนที่, คอมพิวเตอร์แล็ปท๊อป (laptop), กล้องดิจิตอล และรถยนต์ไฟฟ้าที่จะเป็นยานพาหนะหลักในอนาคต ในปีพ.ศ. 2558 ยอดขายแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วโลกอยู่ที่ 1 หมื่นล้านดอลลาร์สหรัฐ (หรือประมาณ 3.2 แสนล้านบาท) ในเชิงธุรกิจจึงเป็นตลาดที่มีการแข่งขันดุเดือดมาก การแข่งขันในการวิจัยและพัฒนาให้แบตเตอรี่มีคุณภาพดีกว่าผลิตภัณฑ์ของบริษัทคู่แข่งจึงมีสูงตามไปด้วย จนในที่สุดก็ได้มีการนำกราฟีนมาใช้เป็นองค์ประกอบของชิ้นส่วนสำคัญทั้งสามของแบตเตอรี่ คือ แอโนด (ขั้วลบ), แคโทด (ขั้วบวก) และ อิเล็กโทรไลต์ (electrolyte) ซึ่งช่วยปรับปรุงคุณภาพของแบตเตอรี่ในหลายๆด้านเช่น เพิ่มค่า power density ซึ่งเหมาะกับงานที่ต้องใช้กำลังสูง เช่นการขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าเป็นต้น, เพิ่มค่า energy density หรือก็คือความสามารถในการเก็บประจุไฟฟ้าทำให้ใช้งานได้นานขึ้น เหมาะกับการใช้เป็นแหล่งพลังงานของโทรศัพท์เคลื่อนที่ และคอมพิวเตอร์แล็ปท๊อป เป็นต้น, ช่วยร่นระยะเวลาชาร์จลงในเรือน 5 เท่า และ เกิดความร้อนขึ้นน้อยจึงปลอดภัยกว่า (ไม่เกิน 60 เซลเซียสคือเงื่อนไขสำคัญของแบตเตอรี่สำหรับใช้กับรถยนต์ไฟฟ้า)

รูปที่ 7  ภาพถ่ายของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนผสมกราฟีนของบริษัทซัมซุง ซึ่งโฆษณาว่ามีศักยภาพเก็บประจุไฟฟ้าได้เพิ่มขึ้น 45 เปอร์เซ็นต์ ใช้เวลาชาร์จจาก 0 จนเต็ม 100 เปอร์เซ็นต์เพียง 12 นาทีเท่านั้น แทนที่จะเป็นชั่วโมงเหมือนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนธรรมดา และรับประกันว่ามีอุณหภูมิขณะใช้งานไม่เกิน 60 เซลเซียส สำนักข่าวซินหัว (Xinhua) ของจีนได้เคยรายงานว่าบริษัทของอีลอน มัสก์ (Elon Musk) ก็กำลังซุ่มเงียบพัฒนาแบตเตอรี่กราฟีนเพื่อให้รถยนต์ไฟฟ้าเทสลา (Tesla) ของตัวเองเสียเวลาชาร์จไฟสั้นลง และวิ่งได้ระยะทางยาวขึ้นกว่าการใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน (ที่มารูป:  https://techpp.com/2017/11/29/samsung-graphene-ball-battery-smartphone/)

3.4) ตัวชาร์จกราฟีน

โดยทั่วไปหัวใจของเครื่องสำรองไฟโทรศัพท์เคลื่อนที่ (power bank) คือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ชาร์จไฟได้ แต่ก็มีจุดอ่อนตรงที่ใช้เวลานานในการชาร์จให้เต็ม บริษัท Zap&Go บริษัทสตาร์ทอัพสัญชาติอังกฤษจึงได้นำเสนอแหล่งสำรองไฟแบบใหม่ที่ใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ (supercapacitor) แทนที่แบตเตอรี่

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ (บางแห่งก็เรียกว่า ultracapacitor) มีหลักการพื้นฐานเหมือนกับตัวคาปาซิเตอร์ หรือตัวเก็บประจุทั่วๆไปที่ใช้กันอยู่ในทุกวงจรอิเล็กทรอนิกส์  แต่ถูกดัดแปลงให้มีความสามารถในการเก็บประจุไฟฟ้า (แทนด้วยค่า capacitance) สูงกว่ามาก กล่าวคือค่า capacitance ของตัวเก็บประจุธรรมดาจะพูดกันในเรือนร้อยหรือพันไมโครฟารัด (microfarad หรือ µF) แต่ของซูเปอร์คาปาซิเตอร์จะพูดกันในเรือนหลายร้อยฟารัด (F) นั่นคือต่างกันเป็นแสนเป็นล้านเท่า

บริษัท Zap&Go ได้ใช้จุดเด่นของแผ่นกราฟีนที่มีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูงมากกับการเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมแทนการใช้แผ่นฟอยล์อลูมิเนียมที่นิยมใช้ทำซูเปอร์คาปาซิเตอร์มาแต่ก่อน กราฟีนซูเปอร์คาปาซิเตอร์ชนิดใหม่นี้จึงมีลักษณะเด่นตรงที่อัดไฟเต็มได้ภายในเวลาเพียง 5 นาที แทนที่จะเป็นชั่วโมงๆเหมือนดังแต่ก่อน แต่ชาร์จโทรศัพท์ได้ไม่ต่างกับแบตสำรองไฟที่ใช้กันอยู่ทั่วไป (ทั้งนี้ขึ้นกับขีดจำกัดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในโทรศัพท์เป็นสำคัญ) มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา และที่สำคัญไม่น้อยก็คือปลอดภัยกว่ามากเพราะไม่มีลิเธียมปะปนอยู่ด้วยเลย ดังที่ทราบกันดีแล้วว่าลิเธียมเป็นสารที่ติดไฟได้ง่ายมากเมื่อกระทบกับอากาศและโดยเฉพาะกับน้ำ ปัจจุบันบริษัทกำลังพัฒนากราฟีนซูเปอร์คาปาซิเตอร์ไปใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆอีกหลายชนิด

รูปที่ 8 (ซ้าย) ตัวชาร์จ (charger) โทรศัพท์เคลื่อนที่ของบริษัท Zap&Go มีความยาว 5 ซม. เส้นผ่านศูนย์กลาง 4 ซม. และหนัก 350 กรัม ในการใช้เวลาชาร์จเพียง 5 นาที กราฟีนซูเปอร์คาปาซิเตอร์ข้างในจะมีประจุอัดอยู่เต็ม 1,500 mAh ซึ่งเพียงพอที่จะใช้ชาร์จอุปกรณ์ต่างๆในแผนภาพทางขวามือได้ (ที่มารูป: https://www.trustedreviews.com/news/zap-go-portable-charger-juices-up-in-minutes-2919301 และ https://www.ampercent.com/supercapacitor-portable-smartphone-charger-full-charge-5-mins/13369/)

3.5)เซนเซอร์กราฟีน

กราฟีนไม่เหมือน buckyball (หรือที่เรียกกันอีกชื่อว่า fullerene) และ ท่อนาโน (nanotube) ที่มีผิวด้านนอกกับด้านใน คือเปิดเผยต่อสิ่งแวดล้อมด้านเดียว แต่ผิวทั้งสองหน้าของกราฟีนล้วนเป็นผิวด้านนอกไม่ว่าจะมองจากด้านบนหรือด้านล่าง อะตอมคาร์บอนทุกตัวของแผ่นกราฟีนเปิดกว้างต่อการเข้าทำปฏิกิริยากับโมเลกุลแวดล้อมจากทั้งสองด้าน จึงมีความไวสูงมากในการใช้ตรวจวัดโมเลกุลเชิงเคมีหรือชีวภาพ  เป็นวัสดุในอุดมคติที่จะนำมาใช้ทำเซนเซอร์ได้หลากหลายชนิด เช่น เซนเซอร์ตรวจวัดกลูโคส, คอเรสเตอรอล, ฮีโมโกลบิน, เซลล์มะเร็ง, ไอสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย, สารโอปิออยด์ (แม้มีความเข้มข้นน้อยมากเพียง 1×10^-11 กรัม ในของเหลว 1 มิลลิลิตร), แก๊ส (เช่น NH₃, NO₂, H₂, CO, SO₂, H₂S) รวมถึงความดัน และสนามแม่เหล็ก (รูปที่ 9)

รูปที่ 9 กราฟีนชิปใช้ทำเซนเซอร์สนามแม่เหล็ก (magnetic field sensor) ของบริษัท Graphenea (สัญชาติยุโรป สำนักงานใหญ่ตั้งอยู่ที่ประเทศสเปน) เพื่อให้ข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่ง, กระแสไฟฟ้า, ความเร็ว และมุมเอียง มีที่ใช้งานในอุตสาหกรรมยานยนต์, คอนซูเมอร์อิเล็กทรอนิกส์ (อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค), การดูแลสุขภาพ และการป้องกันประเทศ มีการประเมินว่าตลาดเซนเซอร์สนามแม่เหล็กในปีพ.ศ. 2565 จะมีมูลค่าประมาณ 4.16 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 1.32 แสนล้านบาท)  (ที่มารูป:  https://www.graphenea.com/blogs/graphene-news/graphene-magnetic-sensors )

3.6)ทรานซิสเตอร์กราฟีน

อุปกรณ์สำคัญมากที่อยู่ในไมโครชิปทั้งหลายคือตัวทรานซิสเตอร์ (transistor) จำนวนทรานซิสเตอร์มีมากเท่าใด ไมโครชิปก็ยิ่งมีสมรรถนะสูงมากเท่านั้น ด้วยความบางมากของกราฟีน และการที่กราฟีนมีความสามารถในการเป็นตัวนำประจุไฟฟ้าดีกว่าซิลิกอนถึง 200 เท่า อีกทั้งยังเป็นตัวนำความร้อนที่ดีมากด้วย จึงมีความพยายามที่จะใช้กราฟีนแทนซิลิกอนทำทรานซิสเตอร์ที่เล็กกว่าและมีประสิทธิภาพสูงกว่าซิลิกอนทรานซิสเตอร์ ไมโครชิปที่ฝังกราฟีนทรานซิสเตอร์จึงมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ทำงานได้เร็วมากและมีความร้อนเกิดขึ้นน้อย

ในปีพ.ศ. 2554 คณะนักวิจัยที่ศูนย์วิจัย T. J. Watson Research Center ของบริษัท IBM ได้ประกาศความสำเร็จในการประดิษฐ์กราฟีนทรานซิสเตอร์ที่มีขนาดเล็กมากและสามารถทำงานได้ 155 พันล้านครั้งใน 1 วินาที [2]  ภารกิจนี้อยู่ภายใต้โครงการวิจัยที่ IBM ได้รับงบประมาณสนับสนุนจาก DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) หน่วยงานสนับสนุนการพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูงเพื่อการป้องกันประเทศของสหรัฐอเมริกา เพื่อพัฒนาทรานซิสเตอร์คลื่นวิทยุที่มีสมรรถนะสูงสำหรับใช้งานด้านโทรศัพท์เคลื่อนที่, อินเทอร์เน็ต และเรดาร์

ปัจจุบันมีคณะนักวิจัยหลายกลุ่มกำลังพัฒนากราฟีนทรานซิสเตอร์อยู่อย่างขะมักเขม้น กราฟีนจะเป็นตัวละครสำคัญหนึ่งของการเปลี่ยนผ่านจากยุคไมโครอิเล็กทรอนิกส์ไปสู่ยุคนาโนอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคตอันใกล้

รูปที่ 10 (บน) ภาพแผ่นเวเฟอร์ของกราฟีนชิปของ IBM และ (ล่าง) ขณะกำลังถูกทดสอบอยู่ที่ศูนย์วิจัย T. J. Watson (ที่มารูป: https://www.extremetech.com/extreme/175727-ibm-builds-graphene-chip-thats-10000-times-faster-using-standard-cmos-processes)

4.บทส่งท้าย

อันที่จริงคุณประโยชน์ของกราฟีนยังมีอีกมากมาย เช่น แผ่นกรองขั้นสูงที่ทำจากกราฟีนออกไซด์สามารถกรองน้ำดื่มจากน้ำเสียหรือน้ำทะเลได้, ใช้ทำเซลล์แสงอาทิตย์ที่โค้งงอได้, ใช้แผ่นกราฟีนเป็นพาหนะนำส่งยาไปตามจุดต่างๆในร่างกายคนไข้, ใช้เคลือบอวัยวะเทียมที่ต้องฝังในร่างกายคนไข้ เช่นลิ้นหัวใจเทียมเป็นต้น, ใช้ผสมทำน้ำมันหล่อลื่นในงานขุดเจาะขนาดใหญ่เช่นการขุดเจาะน้ำมันเพื่อลดการเสียดทานและป้องกันการสึกกร่อนของหัวเจาะ, เพิ่มคุณภาพของพอลิเมอร์และวัสดุผสม (composites) เช่นกาวอีพอกซีมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นถึง 2 เท่าเมื่อผสมด้วยกราฟีนเพียงเล็กน้อย ฯลฯ

ยิ่งทำการค้นคว้าวิจัยเข้าใจกราฟีนได้ลึกซึ้งขึ้นและพัฒนาให้กราฟีนมีราคาถูกลง แนวทางประยุกต์ใช้ประโยชน์จากกราฟีนจะยิ่งมีเพิ่มขึ้นอย่างกว้างขวางและหลากหลาย ผลพลอยได้เชิงพาณิชย์จะผุดออกมาให้เก็บเกี่ยวอย่างอุดมสมบูรณ์ และด้วยเหตุนี้รัฐบาลอังกฤษจึงได้ยอมลงทุน 38 ล้านปอนด์ (ประมาณ 1.6 พันล้านบาท) ตั้งศูนย์วิจัย National Graphene Institute (NGI) ขึ้นที่ University of Manchestor ตั้งแต่เมื่อปีพ.ศ. 2558 (งบประมาณเริ่มต้นอยู่ที่ 61 ล้านปอนด์ อีก 23 ล้านปอนด์ได้รับการสนับสนุนจาก EU) เช่นเดียวกับรัฐบาลสิงคโปร์ที่ได้จัดตั้ง Graphene Research Centre (GRC) ขึ้นที่ National University of Singapore (NUS) ตั้งแต่เมื่อปีพ.ศ. 2553 ซึ่งต่อมาได้ขยับขยายใหญ่ขึ้นและปรับเปลี่ยนชื่อเป็น Centre for Advanced 2D Materials โดยได้รับงบประมาณสนับสนุนจากรัฐบาล 50 ล้านดอลลาร์สิงคโปร์ (ประมาณ 1.2 พันล้านบาท) สำหรับช่วง 10 ปี มีศาสตราจารย์ Antonio H. Castro Neto นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวอเมริกันผู้เชี่ยวชาญด้านสสารควบแน่นและกราฟีนเป็นผู้อำนวยการ และเพิ่งได้ตัวศาสตราจารย์ เซอร์ Konstantin Novoselov มาร่วมทีมเมื่อวันที่ 8 เมษายนที่เพิ่งผ่านมานี้เอง

เอกสารอ้างอิง

1. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov et al., “Electric field in atomically thin carbon films,” Science, vol. 306, no. 5696, pp. 666–669, 2004.
2. Yanqing Wu, Yu-ming Lin, A. A. Bol, K. A. Jenkins, Fengnian Xia, D. B. Farmer, Yu Zhu and P. Avouris, “High-frequency, scaled graphene transistors on diamond-like carbon”, Nature 472(7341):74-8, April 2011.