รางวัลโนเบลถือว่าเป็นรางวัลใหญ่และทรงเกียรติที่สุดรางวัลหนึ่งในด้านวิทยาศาสตร์ เพราะผลงานที่จะได้รับรางวัลโนเบลนั้นต้องมีคุณูปการต่อมนุษยชาติและส่งผลกระทบต่อแวดวงวิชาการอย่างยิ่ง

เมื่อ 7 ปีก่อน ในปี ค.ศ. 2010 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ 2010 มอบให้กับสองนักฟิสิกส์เชื้อชาติรัสเซีย อังเดร ไกม์ (Andre Geim) และ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (Konstantin Novoselov) ผู้สร้างกราฟีน (Graphene) ได้สำเร็จ

หลายคนอาจไม่คุ้นเคยกับคำว่า กราฟีน และกำลังสงสัยว่ากราฟีนคืออะไร? แต่เชื่อไหมว่ามันอยู่ใกล้ตัวพวกเรามากกว่าที่คิด

Photo: nisenet.org

ไส้ดินสอดำที่เราใช้ขีดเขียนกันตั้งแต่เด็กนั้นทำมาจากแร่แกรไฟต์ (Graphite) เป็นหลัก ซึ่งแร่นี้ประกอบไปด้วยอะตอมของคาร์บอนเรียงซ้อนกันเป็นชั้นๆ ซึ่งแต่ละชั้นก็คือ กราฟีน ทว่ากราฟีนแต่ละแผ่นนั้นบางเฉียบ ต้องใช้กราฟีนซ้อนกันราว 3 ล้านชั้นจึงจะได้ไส้ดินสอที่หนาเพียง 1 มม. เท่านั้น!

ความน่าสนใจคือกราฟีนนั้นมีคุณสมบัติน่าทึ่งมากมาย เช่น นำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดง แกร่งกว่าเหล็กกล้าถึง 200 เท่า หากนำกราฟีนไปผสมกับพลาสติกเพียง 1% ก็จะทำให้พลาสติกนำไฟฟ้าได้ ฯลฯ จนนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากเชื่อว่ามันเป็นวัสดุแห่งอนาคต และคาดหวังการประยุกต์ใช้ไว้หลายอย่าง เช่น ใช้เป็นส่วนหนึ่งในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ รวมทั้งหนึ่งในส่วนของแผงโซลาร์เซลล์

แต่การสร้างกราฟีนนั้นดูเหมือนง่ายแต่ไม่ง่าย เพราะถึงเราจะรู้กันอยู่ว่ามันอยู่ในไส้ดินสอ แต่การจะดึงกราฟีนออกมาแค่ชั้นเดียวไม่ง่ายเหมือนลอกแผ่นขนมชั้นเลยสักนิด

เรื่องนี้ท้าทายนักวิทยาศาสตร์มาหลายทศวรรษ เพราะเมื่อ 70 ปีก่อนแม้แต่ยอดนักฟิสิกส์ระดับโลกอย่าง เลฟ แลนเดา (Lev Landau) ยังเชื่อ และมีงานวิจัยออกมาว่า ระบบที่เรียงตัวเป็นระเบียบใน 2 มิติอย่างกราฟีนนั้นไม่มีเสถียรภาพ และไม่สามารถสร้างขึ้นได้จริง แนวคิดนี้ถูกขยายและเชื่อถือมากขึ้น เพราะมีการทดลองยืนยันว่าระบบฟิล์มบาง (thin film) นั้นจะมีความเสถียรลดลง เมื่อความหนาของมันน้อยลง

แต่อังเดร ไกม์ และคอนสแตนติน โนโวเซลอฟ สามารถสร้างกราฟีนได้สำเร็จด้วยการใช้ดินสอกับแผ่นสกอตเทปธรรมดาๆ!!

เริ่มโดยการเอาสกอตเทปพันรอบไส้ดินสอ แล้วลอกออกมาจะเห็นผงดำๆ ติดอยู่บนสกอตเทป นั่นแหละคือกราฟีน แต่เป็นกราฟีนที่ซ้อนกันหนาๆ จากนั้นนำสกอตเทปอีกแผ่นมาแปะทาบเข้ากับรอยดำๆ บนสกอตเทปแผ่นแรก แล้วค่อยๆ ดึงแยกออกจากกันจะพบว่ารอยดินสอบนสกอตเทปนั้นดูจางลง นั่นแปลว่ากราฟีนที่ติดอยู่นั้นเริ่มบางลงแล้ว

ทำแบบนี้ซ้ำไปซ้ำมาแล้วนำสกอตเทปที่มีกราฟีนเกาะอยู่ไปแปะลงบนพื้นผิวของอะไรสักอย่าง เช่น ซิลิกอนไดออกไซด์ แล้วนำไปส่องหากราฟีนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนกำลังขยายสูงจนกว่าจะพบกราฟีน

แต่วิธีนี้จะทำให้ได้กราฟีนแผ่นเล็กจิ๋วเท่านั้น

ส่วนวิธีอื่นๆ แม้จะสร้างกราฟีนแผ่นใหญ่ได้ แต่ก็ยุ่งยากและมีกระบวนการที่ค่อนข้างอันตราย (เช่น ต้องจุดระเบิดแก๊สที่ถูกบีบอัดและมีกระบวนการทางสุญญากาศด้วย) ที่สำคัญด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน กราฟีนเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 เซนติเมตร ต้องใช้ต้นทุนสร้างถึง 750 เหรียญสหรัฐ (ราว 26,000 บาท)

แต่ล่าสุดเมื่อต้นปีนี้ เจาจวินฮาน (Zhao Jun Han) นักวิจัยจาก Australia’s Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization สามารถสังเคราะห์กราฟีนขึ้นจากน้ำมันถั่วเหลือง (soybean oil) ที่เห็นทั่วไปในครัวและตามท้องตลาดได้ และตีพิมพ์ผลการวิจัยในวารสารวิชาการระดับโลกอย่าง Nature

Photo: nature.com

วิธีคือ ให้ความร้อนกับน้ำมันถั่วเหลืองจนกระทั่งมันแตกตัวออกเป็นอะตอมคาร์บอน ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญของการสังเคราะห์กราฟีน จากนั้นทำให้มันเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วบนแผ่นนิกเกิลบางๆ ก็จะได้กราฟีนออกมา

เสร็จแล้วครับ!

วิธีการนี้ใช้วัตถุราคาถูกและทำให้สังเคราะห์กราฟีนปริมาณมากได้ในระดับที่สามารถขยายการสังเคราะห์ให้เข้าสู่เชิงพาณิชย์ได้ด้วย

หากวันหนึ่งวิธีการนี้ใช้ได้ผลและเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวาง อีกไม่นานกราฟีนอาจราคาถูกลงจนสร้างสรรค์เทคโนโลยีใหม่ๆ ได้มากมาย และไม่แน่ว่าน้ำมันถั่วเหลืองที่เป็นสินค้าการเกษตรอาจกลายเป็นวัตถุดิบจำเป็นที่ปรับราคาสูงขึ้นก็ได้

Cover: csiro.au

อ้างอิง:

Tags: , ,