ผลการวิจัยใหม่เผยให้เห็นฟิล์มกราไฟต์ที่ดีกว่าเดิม

กราไฟต์คุณภาพสูงมีคุณสมบัติเด่นด้านความแข็งแรงเชิงกล ความเสถียรทางความร้อน ความยืดหยุ่นสูง และการนำความร้อนและไฟฟ้าในระนาบสูงมาก ทำให้เป็นวัสดุขั้นสูงที่สำคัญที่สุดชนิดหนึ่งสำหรับการใช้งานหลายอย่าง เช่น ตัวนำความร้อนจากแสงที่ใช้เป็นแบตเตอรี่ในโทรศัพท์ ตัวอย่างเช่น กราไฟต์ชนิดพิเศษที่เรียกว่า กราไฟต์ไพโรไลติกที่มีระเบียบสูง (HOPG) เป็นหนึ่งในวัสดุที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการ คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเหล่านี้เกิดจากโครงสร้างแบบชั้นของกราไฟต์ ซึ่งพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรงระหว่างอะตอมคาร์บอนในชั้นกราฟีนมีส่วนช่วยให้มีคุณสมบัติเชิงกล การนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ในขณะที่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นกราฟีนน้อยมาก ส่งผลให้กราไฟต์มีความยืดหยุ่นสูง แม้ว่ากราไฟต์จะถูกค้นพบในธรรมชาติมานานกว่า 1,000 ปี และการสังเคราะห์เทียมได้รับการศึกษามานานกว่า 100 ปีแล้ว แต่คุณภาพของตัวอย่างกราไฟต์ทั้งจากธรรมชาติและสังเคราะห์ยังห่างไกลจากอุดมคติ ตัวอย่างเช่น ขนาดของโดเมนกราไฟต์ผลึกเดี่ยวที่ใหญ่ที่สุดในวัสดุกราไฟต์โดยทั่วไปมีขนาดเล็กกว่า 1 มิลลิเมตร ซึ่งแตกต่างอย่างมากกับขนาดของผลึกหลายชนิด เช่น ผลึกควอตซ์และผลึกซิลิคอน ซึ่งมีขนาดใหญ่ถึงระดับเมตร ขนาดที่เล็กมากของกราไฟต์ผลึกเดี่ยวนั้นเกิดจากปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอระหว่างชั้นกราไฟต์ และความเรียบของชั้นกราฟีนนั้นยากที่จะรักษาไว้ในระหว่างการเจริญเติบโต ดังนั้นกราไฟต์จึงแตกออกเป็นขอบเขตผลึกเดี่ยวหลายๆ ผลึกอย่างไม่เป็นระเบียบ เพื่อแก้ปัญหาสำคัญนี้ ศาสตราจารย์กิตติคุณแห่งสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติอุลซาน (UNIST) และผู้ร่วมงานของเขา ได้แก่ ศาสตราจารย์หลิว ไคฮุย ศาสตราจารย์หวัง เอินเกอ แห่งมหาวิทยาลัยปักกิ่ง และคนอื่นๆ ได้เสนอวิธีการสังเคราะห์ฟิล์มกราไฟต์ผลึกเดี่ยวบางๆ ที่มีขนาดใหญ่ระดับนิ้ว วิธีการของพวกเขาใช้แผ่นฟอยล์นิกเกิลผลึกเดี่ยวเป็นพื้นผิว และอะตอมคาร์บอนจะถูกป้อนจากด้านหลังของแผ่นฟอยล์นิกเกิลผ่านกระบวนการ "การละลาย-การแพร่กระจาย-การตกตะกอนแบบไอโซเทอร์มอล" แทนที่จะใช้แหล่งกระดาษแข็งที่เป็นก๊าซ พวกเขาเลือกใช้วัสดุคาร์บอนที่เป็นของแข็งเพื่ออำนวยความสะดวกในการเจริญเติบโตของกราไฟต์ กลยุทธ์ใหม่นี้ทำให้สามารถผลิตฟิล์มกราไฟต์ผลึกเดี่ยวที่มีความหนาประมาณ 1 นิ้ว 35 ไมครอน หรือมากกว่า 100,000 ชั้นกราฟีนได้ภายในไม่กี่วัน เมื่อเทียบกับตัวอย่างกราไฟต์ที่มีอยู่ทั้งหมด กราไฟต์ผลึกเดี่ยวมีค่าการนำความร้อนประมาณ 2880 W m-1K-1 มีปริมาณสิ่งเจือปนน้อยมาก และมีระยะห่างระหว่างชั้นน้อยที่สุด (1) การสังเคราะห์ฟิล์มนิกเกิลผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ที่ประสบความสำเร็จในฐานะพื้นผิวเรียบพิเศษช่วยหลีกเลี่ยงความไม่เป็นระเบียบของกราไฟต์สังเคราะห์ (2) กราฟีนจำนวน 100,000 ชั้นถูกปลูกแบบไอโซเทอร์มอลในเวลาประมาณ 100 ชั่วโมง ดังนั้นกราฟีนแต่ละชั้นจึงถูกสังเคราะห์ในสภาพแวดล้อมทางเคมีและอุณหภูมิเดียวกัน ซึ่งรับประกันคุณภาพของกราไฟต์ที่สม่ำเสมอ (3) การป้อนคาร์บอนอย่างต่อเนื่องผ่านด้านหลังของแผ่นฟอยล์นิกเกิลช่วยให้กราฟีนเติบโตอย่างต่อเนื่องในอัตราที่สูงมาก ประมาณหนึ่งชั้นทุกๆ ห้าวินาที”