งานวิจัย แกรฟีน วัสดุสุดมหัศจรรย์ฝีมือคนไทย

โดย...วัชราภรณ์ สนทนา สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.)

ภายหลังจากการปรากฏตัวของ แกรฟีน วัสดุที่หนาเพียงอะตอมเดียว ผลงานการค้นพบของสองนักฟิสิกส์ ดร.อังเดร ไกม์ (Dr.Andre Geim) และ ดร.คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (Dr.Konstantin Novoselov) จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ประเทศอังกฤษ เจ้าของรางวัลโนเบลประจำปี 2553 ได้ไม่นาน แกรฟีนก็ถูกจับตามองในฐานะวัสดุสุดอัศจรรย์ที่จะเข้ามาพลิกโฉมโลกแห่งเทคโนโลยีในอนาคต

แกรฟีนถูกค้นพบครั้งแรกเมื่อปี 2547 ด้วยวิธีการที่แสนเหลือเชื่อ นั่นคือการใช้สกอตช์เทปแปะเกล็ดแกรไฟต์หรือส่วนประกอบของไส้ดินสอ แล้วค่อยๆ ดึงลอกแกรฟีนออกมาทีละชั้นๆ (โครงสร้างแกรไฟต์ประกอบด้วยชั้นของแกรฟีนที่ซ้อนกันอยู่เป็นชั้นๆ) จนเหลือแผ่นแกรฟีนที่มีโครงสร้าง 2 มิติ เหมือนตาข่ายรูปหกเหลี่ยมคล้ายรังผึ้ง ซึ่งมีความหนาเท่ากับความหนาของคาร์บอนเพียงอะตอมเดียว หรือประมาณ 0.34 นาโนเมตร เท่านั้น

ความพิเศษและน่าสนใจของแกรฟีน ไม่เพียงเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างคาร์บอนบางที่สุดในโลก แต่แกรฟีนยังมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ดีกว่าโลหะหรือสารกึ่งตัวนำชนิดอื่นๆ เช่น ทองแดง หรือซิลิคอน ที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ปัจจุบันหลายเท่า และแม้แกรฟีนจะบางจนแทบมองไม่เห็น แต่ด้วยอะตอมคาร์บอนที่ยึดโยงกันเป็นวงแหวน 6 เหลี่ยม ด้วยพันธะเคมีแบบโคเวเลนต์ ทำให้แกรฟีนแข็งแรงกว่าเหล็กถึง 200 เท่า และยังแกร่งกว่าเพชรด้วย ซึ่งนั่นทำให้แกรฟีนกลายเป็นวัสดุที่แข็งแรงที่สุดในโลกขณะนี้ นอกจากนี้แกรฟีนยังเป็นวัสดุที่มีความยืดหยุ่นสูง โปร่งแสง และนำความร้อนได้ดีมาก คุณสมบัติมหัศจรรย์มากมายเช่นนี้จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมแกรฟีนจึงเป็นวัสดุชนิดใหม่ที่ได้รับความสนใจจากนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก และรวมถึงนักวิทยาศาสตร์ไทยด้วย

หมึกนำไฟฟ้าด้วยวัสดุแกรฟีน ฝีมือนักวิทย์ไทย

ทีมนักวิจัยจากศูนย์นวัตกรรมการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์ (TOPIC) ภายใต้ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) คือหนึ่งในทีมนักวิทยาศาสตร์ไทยที่ทุ่มเทศึกษาวิจัยแกรฟีนมาอย่างต่อเนื่อง และประสบความสำเร็จสังเคราะห์และเตรียมหมึกนำไฟฟ้าด้วยวัสดุแกรฟีนได้เป็นทีมแรกของโลก

ดร.อดิสร เตือนตรานนท์ ผู้อำนวยการศูนย์นวัตกรรมการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์ เนคเทค สวทช. กล่าวว่า ปกติหมึกนำไฟฟ้าจะเป็นวัสดุประเภทโพลีเมอร์ซึ่งนำไฟฟ้าได้ แต่ยังไม่ดีมากนัก สิ่งที่ทีมวิจัยพัฒนา คือ การสังเคราะห์แกรฟีนด้วยเทคนิคเคมีไฟฟ้า ลอกเอาแผ่นแกรฟีนบริสุทธิ์ออกจากขั้วแกรไฟต์และผสานเข้าไปในเนื้อโพลีเมอร์นำไฟฟ้า ซึ่งทำให้ได้หมึกนำไฟฟ้าที่นำไฟฟ้าดีขึ้นกว่าเดิมเกือบ 10 เท่า ที่สำคัญ คือ หมึกนำไฟฟ้าแกรฟีนยังพิมพ์ได้ด้วยเทคนิคการพิมพ์แบบต่างๆ เช่น อิงก์เจ็ต สกรีน และการพิมพ์ในระบบ เช่น การพิมพ์แบบเฟล็กโซกราฟี และการพิมพ์กราวัวร์ เป็นต้น ทำให้ใช้พิมพ์วงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้ง่าย ราคาถูก โดยปัจจุบันได้ถ่ายทอดเทคโนโลยีให้กับบริษัท อินโนฟีน ซึ่งเป็นเอกชนไทยรายหนึ่งเพื่อผลิตขายในเชิงพาณิชย์แล้ว และพร้อมจะถ่ายทอดเทคโนโลยีให้กับบริษัทอื่นๆ อีกที่สนใจ

ครั้งแรกแผ่นเรืองแสงอิเล็กโตรลูมิเนสเซนซ์จากหมึกนำไฟฟ้าแกรฟีน

ด้วยคุณสมบัติของหมึกนำไฟฟ้าแกรฟีนที่นำไฟฟ้าได้ดี ยืดหยุ่นและมีความโปร่งแสง ทีมวิจัยจึงได้พัฒนาต่อยอดสู่แผ่นเรืองแสงอิเล็กโตรลูมิเนสเซนซ์ (Electroluminescence) ที่โดดเด่นด้วยความสามารถโค้งงอและยืดหยุ่นได้

ดร.อดิสร กล่าวว่า แผ่นเรืองแสงอิเล็กโตรลูมิเนสเซนซ์เป็นเทคโนโลยีที่ไม่ใช่หลอดไฟหรือ LED แต่จะใช้สารฟอสฟอร์ที่เรืองแสงได้จากการป้อนแรงดันและกระแสไฟฟ้าแบบสลับ ซึ่งโครงสร้างของแผ่นเรืองแสงจะประกอบกันเป็นชั้นๆ โดยส่วนของชั้นฟิล์มนำไฟฟ้าโปร่งแสงที่ทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้ามักจะนิยมใช้ฟิล์มจากสารที่ชื่อว่า อินเดียม ทิน ออกไซด์ (Indium Tin Oxide : ITO) ซึ่งยังมีข้อด้อยคือ เป็นสารที่เคลือบโลหะ ทำให้แตกลายง่าย และไม่สามารถโค้งงอได้ การเตรียมฟิล์มต้องใช้เทคโนโลยีที่ซับซ้อน มีราคาแพง เราจึงนำหมึกนำไฟฟ้าแกรฟีนมาประยุกต์ใช้แทน ทำให้ได้แผ่นเรืองแสงที่โค้งงอได้ ลดปัญหาการแตกลาย ที่สำคัญพิมพ์ได้ด้วยเครื่องพิมพ์แบบสกรีน จึงเพิ่มความสะดวก ลดระยะเวลา และลดต้นทุนได้มาก

อย่างไรก็ตาม แผ่นเรืองแสงอิเล็กโตรลูมิเนสเซนซ์เป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งของการประยุกต์ใช้หมึกนำไฟฟ้าแกรฟีนเท่านั้น ทุกวันนี้แกรฟีนเป็นวัสดุที่ถูกจับตาว่ามีศักยภาพเข้ามาแทนที่ซิลิคอนในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ รวมทั้งยังสามารถใช้สร้างอุปกรณ์เชิงแสงในจอแสดงผลคอมพิวเตอร์ โทรทัศน์ และโทรศัพท์มือถือได้ ขณะเดียวกันนักวิทยาศาสตร์ก็ยังค้นพบคุณสมบัติใหม่ๆ ของแกรฟีนเพิ่มขึ้นมากมาย ซึ่งไม่แน่ว่าแกรฟีนอาจเป็นวัสดุที่สร้างประวัติศาสตร์หน้าใหม่ให้แก่วงการด้านอิเล็กทรอนิกส์อีกครั้ง