การวิจัยใหม่เผยให้เห็นฟิล์มกราไฟท์ที่ดีกว่า

กราไฟต์คุณภาพสูงมีความแข็งแรงเชิงกลที่ดีเยี่ยม เสถียรภาพทางความร้อน ความยืดหยุ่นสูง และการนำความร้อนและไฟฟ้าในระนาบที่สูงมาก ทำให้เป็นหนึ่งในวัสดุขั้นสูงที่สำคัญที่สุดสำหรับการใช้งานหลายประเภท เช่น ตัวนำความร้อนจากแสงที่ใช้เป็นแบตเตอรี่ในโทรศัพท์ ยกตัวอย่างเช่น กราไฟต์ชนิดพิเศษที่เรียกว่า กราไฟต์ไพโรไลติกแบบมีลำดับชั้นสูง (HOPG) เป็นหนึ่งในวัสดุที่นิยมใช้มากที่สุดในห้องปฏิบัติการ คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเหล่านี้เกิดจากโครงสร้างแบบชั้นของกราไฟต์ ซึ่งพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งระหว่างอะตอมคาร์บอนในชั้นกราฟีนมีส่วนทำให้คุณสมบัติเชิงกล การนำความร้อน และไฟฟ้าเป็นเลิศ ในขณะที่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นกราฟีนน้อยมาก การกระทำนี้ส่งผลให้มีความยืดหยุ่นสูง กราไฟต์ แม้ว่ากราไฟต์จะถูกค้นพบในธรรมชาติมานานกว่า 1,000 ปี และมีการศึกษาการสังเคราะห์ด้วยเทียมมานานกว่า 100 ปี แต่คุณภาพของตัวอย่างกราไฟต์ทั้งจากธรรมชาติและสังเคราะห์ยังคงห่างไกลจากมาตรฐาน ตัวอย่างเช่น ขนาดของโดเมนกราไฟต์ผลึกเดี่ยวที่ใหญ่ที่สุดในวัสดุกราไฟต์โดยทั่วไปจะน้อยกว่า 1 มิลลิเมตร ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับขนาดของผลึกหลายชนิด เช่น ผลึกเดี่ยวควอตซ์และผลึกเดี่ยวซิลิคอน ขนาดของกราไฟต์อาจสูงถึงหนึ่งเมตร กราไฟต์ผลึกเดี่ยวขนาดเล็กมากเกิดจากปฏิกิริยาระหว่างชั้นกราไฟต์ที่อ่อนแอ และความเรียบของชั้นกราฟีนนั้นยากที่จะรักษาไว้ในระหว่างการเติบโต ดังนั้นกราไฟต์จึงแตกออกเป็นเกรนขอบผลึกเดี่ยวหลายชั้นอย่างไม่เป็นระเบียบ เพื่อแก้ปัญหาสำคัญนี้ ศาสตราจารย์กิตติคุณจากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติอุลซาน (UNIST) และผู้ร่วมงาน ได้แก่ ศ.หลิว ไคฮุย ศ.หวัง เอิงเกอ จากมหาวิทยาลัยปักกิ่ง และคณะ ได้เสนอกลยุทธ์สำหรับการสังเคราะห์ฟิล์มผลึกเดี่ยวกราไฟต์ที่มีขนาดบางในระดับออร์เดอร์ออฟแมกนิจูด (order-of-magnitude) ลงสู่ระดับนิ้ว วิธีการของพวกเขาใช้แผ่นนิกเกิลผลึกเดี่ยวเป็นวัสดุตั้งต้น และอะตอมคาร์บอนจะถูกป้อนจากด้านหลังของแผ่นนิกเกิลผ่าน "กระบวนการละลาย-แพร่-สะสมแบบไอโซเทอร์มอล" แทนที่จะใช้แหล่งกำเนิดกระดาษแข็งที่เป็นก๊าซ พวกเขาเลือกใช้วัสดุคาร์บอนแข็งเพื่ออำนวยความสะดวกในการเจริญเติบโตของกราไฟต์ กลยุทธ์ใหม่นี้ทำให้สามารถผลิตฟิล์มกราไฟต์ผลึกเดี่ยวที่มีความหนาประมาณ 1 นิ้ว และ 35 ไมครอน หรือมากกว่า 100,000 ชั้นกราฟีนได้ภายในไม่กี่วัน เมื่อเปรียบเทียบกับตัวอย่างกราไฟต์ทั้งหมดที่มีอยู่ กราไฟต์ผลึกเดี่ยวมีค่าการนำความร้อนประมาณ 2880 วัตต์ ต่อตารางเมตร (W m-1K-1) มีปริมาณสิ่งเจือปนเพียงเล็กน้อย และมีระยะห่างระหว่างชั้นน้อยที่สุด (1) การสังเคราะห์ฟิล์มนิกเกิลผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ให้เป็นวัสดุตั้งต้นที่แบนราบเป็นพิเศษได้สำเร็จ ช่วยหลีกเลี่ยงการเกิดการรบกวนของกราไฟต์สังเคราะห์ (2) กราฟีน 100,000 ชั้นได้รับการปลูกแบบอุณหภูมิคงที่ในเวลาประมาณ 100 ชั่วโมง ดังนั้นกราฟีนแต่ละชั้นจึงถูกสังเคราะห์ในสภาพแวดล้อมทางเคมีและอุณหภูมิเดียวกัน ซึ่งช่วยให้แน่ใจถึงคุณภาพของกราไฟต์ที่สม่ำเสมอ (3) การจ่ายคาร์บอนอย่างต่อเนื่องผ่านด้านหลังของแผ่นนิกเกิลทำให้ชั้นของกราฟีนเติบโตอย่างต่อเนื่องในอัตราที่สูงมาก ประมาณหนึ่งชั้นทุกๆ ห้าวินาที