กราฟีนคืออะไร? วัสดุมหัศจรรย์ที่น่าทึ่ง

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุสุดยอดอย่างกราฟีนได้รับความสนใจอย่างมาก แต่กราฟีนคืออะไรกันแน่? ลองนึกภาพสารที่มีความแข็งแกร่งกว่าเหล็กถึง 200 เท่า แต่เบากว่ากระดาษถึง 1,000 เท่า
ในปี 2004 นักวิทยาศาสตร์สองคนจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ คือ อันเดรย์ ไกม์ และ คอนสแตนติน โนโวเซโลฟ ได้ "ทดลอง" กับกราไฟต์ ใช่แล้ว วัสดุชนิดเดียวกับที่พบอยู่บนปลายดินสอ พวกเขาสงสัยเกี่ยวกับวัสดุนี้และต้องการทราบว่าสามารถลอกออกได้ในชั้นเดียวหรือไม่ ดังนั้นพวกเขาจึงใช้เครื่องมือที่ไม่ธรรมดาอย่างหนึ่ง นั่นก็คือ เทปกาว
ไฮม์อธิบายกับบีบีซีว่า “คุณวางเทปทับลงบนกราไฟต์หรือไมกา แล้วลอกชั้นบนสุดออก เกล็ดกราไฟต์จะหลุดออกจากเทป จากนั้นพับเทปครึ่งหนึ่งแล้วติดลงบนแผ่นด้านบน แล้วแยกออกจากกันอีกครั้ง จากนั้นทำซ้ำกระบวนการนี้ 10 หรือ 20 ครั้ง”
“ทุกครั้งที่เกล็ดเทปแตกตัว มันจะแตกเป็นเกล็ดที่บางลงเรื่อยๆ จนในที่สุดจะเหลือเพียงเกล็ดที่บางมากบนสายพาน เมื่อคุณละลายเทป ทุกอย่างก็จะละลายไปด้วย”
ที่น่าประหลาดใจคือ วิธีการใช้เทปได้ผลอย่างน่าอัศจรรย์ การทดลองที่น่าสนใจนี้นำไปสู่การค้นพบแผ่นกราฟีนชั้นเดียว
ในปี 2010 ไฮม์และโนโวเซโลฟได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการค้นพบกราฟีน ซึ่งเป็นวัสดุที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนเรียงตัวเป็นโครงสร้างตาข่ายหกเหลี่ยมคล้ายกับตาข่ายลวดไก่
หนึ่งในเหตุผลหลักที่ทำให้กราฟีนน่าทึ่งมากก็คือโครงสร้างของมัน กราฟีนบริสุทธิ์ชั้นเดียวปรากฏเป็นชั้นของอะตอมคาร์บอนที่เรียงตัวกันเป็นโครงสร้างตาข่ายหกเหลี่ยม โครงสร้างรังผึ้งระดับอะตอมนี้เองที่ทำให้กราฟีนมีความแข็งแรงอย่างน่าประทับใจ
นอกจากนี้ กราฟีนยังเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมอีกด้วย ที่อุณหภูมิห้อง กราฟีนสามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าวัสดุอื่นๆ
จำอะตอมคาร์บอนที่เราพูดถึงกันได้ไหมครับ? แต่ละอะตอมจะมีอิเล็กตรอนพิเศษที่เรียกว่าอิเล็กตรอนไพ (pi electron) อิเล็กตรอนนี้เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ทำให้มันสามารถนำไฟฟ้าผ่านชั้นกราฟีนหลายชั้นได้โดยมีความต้านทานต่ำ
งานวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับกราฟีนที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้ค้นพบสิ่งที่น่าอัศจรรย์อย่างหนึ่ง นั่นคือ เมื่อหมุนกราฟีนสองชั้นให้เบี่ยงออกจากแนวเดิมเพียงเล็กน้อย (เพียง 1.1 องศา) กราฟีนจะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด
นี่หมายความว่าวัสดุนี้สามารถนำไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทานหรือความร้อน ซึ่งเปิดโอกาสที่น่าตื่นเต้นสำหรับการนำไฟฟ้าเหนือยวดยิ่งในอนาคตที่อุณหภูมิห้อง
หนึ่งในแอปพลิเคชันที่คาดหวังมากที่สุดของกราฟีนคือการนำไปใช้ในแบตเตอรี่ ด้วยคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่เหนือกว่า เราสามารถผลิตแบตเตอรี่กราฟีนที่ชาร์จเร็วขึ้นและใช้งานได้นานกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบัน
บริษัทขนาดใหญ่บางแห่ง เช่น Samsung และ Huawei ได้เริ่มดำเนินการตามแนวทางนี้แล้ว โดยมีเป้าหมายที่จะนำความก้าวหน้าเหล่านี้มาใช้ในอุปกรณ์ที่เราใช้ในชีวิตประจำวัน
“ภายในปี 2024 เราคาดว่าจะมีผลิตภัณฑ์กราฟีนหลากหลายชนิดออกสู่ตลาด” อันเดรีย เฟอร์รารี ผู้อำนวยการศูนย์กราฟีนเคมบริดจ์และนักวิจัยโครงการกราฟีนแฟลกชิป ซึ่งเป็นโครงการริเริ่มโดยบริษัทกราฟีนยุโรป กล่าว บริษัทดังกล่าวลงทุน 1 พันล้านยูโรในโครงการร่วมทุนนี้ ความร่วมมือนี้ช่วยเร่งการพัฒนาเทคโนโลยีกราฟีน
พันธมิตรด้านการวิจัยของ Flagship กำลังสร้างแบตเตอรี่กราฟีนที่มีความจุมากกว่าแบตเตอรี่พลังงานสูงที่ดีที่สุดในปัจจุบันถึง 20% และให้พลังงานมากกว่า 15% นอกจากนี้ ทีมวิจัยอื่นๆ ยังได้สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้กราฟีนเป็นส่วนประกอบ ซึ่งมีประสิทธิภาพในการแปลงแสงแดดเป็นไฟฟ้าสูงกว่าเดิมถึง 20 เปอร์เซ็นต์
แม้ว่าจะมีผลิตภัณฑ์รุ่นแรกๆ บางส่วนที่นำศักยภาพของกราฟีนมาใช้ประโยชน์แล้ว เช่น อุปกรณ์กีฬาของ Head แต่สิ่งที่ดีที่สุดยังมาไม่ถึง ดังที่ Ferrari กล่าวไว้ว่า “เราพูดถึงกราฟีน แต่ในความเป็นจริงแล้ว เรากำลังพูดถึงตัวเลือกจำนวนมากที่กำลังอยู่ระหว่างการศึกษา ทุกอย่างกำลังก้าวไปในทิศทางที่ถูกต้อง”
บทความนี้ได้รับการปรับปรุงโดยใช้เทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ ตรวจสอบข้อเท็จจริง และเรียบเรียงโดยบรรณาธิการของ HowStuffWorks แล้ว
บริษัท Head ผู้ผลิตอุปกรณ์กีฬา ได้นำวัสดุสุดมหัศจรรย์นี้มาใช้ ไม้เทนนิส Graphene XT ของพวกเขานั้นเบากว่าถึง 20% ในขณะที่น้ำหนักเท่าเดิม นี่คือเทคโนโลยีที่ปฏิวัติวงการอย่างแท้จริง!
`;t.byline_authors_html&&(e+=`作者：${t.byline_authors_html}`),t.byline_authors_html&&t.byline_date_html&&(e+=” | “),t.byline_date_html&&(e+=t.byline_date_html);var i=t.body_html .replaceAll('”pt','”pt'+t.id+”_”); return e+=`\n\t\t\t\t