Graphene – มันคืออะไรและใช้ทำอะไร?

กราฟีน – มันคืออะไรและมาจากไหน

ลักษณะเด่นของกราฟีนอยู่ที่ลักษณะสองมิติเป็นหลัก ทางกายภาพ มันคือชั้นของอะตอมคาร์บอนเดี่ยวที่จัดเรียงเป็นรูปหกเหลี่ยมซึ่งมองเห็นได้คล้ายกับรังผึ้ง กราฟีนจึงเป็น allotrope ของคาร์บอน ในช่วงทศวรรษที่ 1940 ฟิลลิป รัสเซล วอลเลซได้พัฒนาแนวคิดเชิงทฤษฎีในการสร้างโครงสร้างคาร์บอนอะตอมเดี่ยว อย่างไรก็ตาม แนวคิดนี้ถูกปฏิเสธโดยนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่มาหลายปีแล้ว จนกระทั่งหกทศวรรษต่อมาก็สามารถเปลี่ยนเป็นวัสดุที่จับต้องได้จริง คู่หูของ Gejm และ Nowosiolow จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์สามารถแยก graphene ออกจากก้อนกราไฟท์โดยการถ่ายโอนอะตอมของคาร์บอนไปยังชั้นของซิลิคอนไดออกไซด์ (SO ₂ ) โดยใช้เทปกาว ซิลิกามีบทบาทสำคัญในกระบวนการนี้ โดยแยกชั้นกราฟีนด้วยประจุไฟฟ้าที่เป็นกลาง ปัจจุบันวิธีนี้ใช้เฉพาะในขนาดเล็กเพื่อวัตถุประสงค์ในการวิจัยเท่านั้น

คุณสมบัติที่ผิดปกติของกราฟีน

อะไรคือชั้นอะตอมของคาร์บอนที่บางเฉียบซึ่งทำให้โลกวิทยาศาสตร์หลงใหล กราฟีนได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดีมาก มันยังมีลักษณะการต้านทานแอคทีฟต่ำอีกด้วย ด้วยเหตุนี้เองจึงเป็นคู่แข่งของทองแดงและซิลิกอน ที่อุณหภูมิห้อง กราฟีนอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างไม่เคยปรากฏมาก่อนในวัสดุอื่นๆ ความเร็วสูงถึง 1/300 ของความเร็วแสงเปิดโอกาสที่น่าสนใจสำหรับใช้ในการวินิจฉัย กราฟีนเกือบจะโปร่งใสเช่นกัน โดยดูดซับแสงสีขาวได้ 2.3%ดังนั้นศักย์ไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมจึงควบคู่ไปกับออปติคัล แม้จะมี โครงสร้างที่บางมาก แต่กราฟีน ก็แข็งแกร่งกว่าเหล็กกล้าถึง 100 เท่า ในขณะเดียวกันก็รักษาความยืดหยุ่นในระดับสูง (ความยาวหรือความกว้างในการยืดได้ถึง 20%) เมมเบรนกราฟีนที่ออกซิไดซ์ไม่สามารถซึมผ่านก๊าซได้อย่างสมบูรณ์ แต่ซึมผ่านน้ำได้ จึงสามารถใช้สำหรับการกรองได้ คุณสมบัติในการต้านจุลชีพของวัสดุก็มีความสำคัญเช่นกัน

กราฟีนที่คาดหวัง – การใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ

คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ ทางแสง ความร้อน และทางกลของกราฟีนได้เปิดประตูสู่การใช้งานเชิงพาณิชย์ที่ใช้งานได้จริง ซึ่งตามที่ผู้เชี่ยวชาญจะพัฒนาแบบไดนามิกในทศวรรษหน้า วันนี้ graphene ถือเป็นตัวตายตัวแทนของซิลิคอนในพื้นที่อิเล็กทรอนิกส์ ตัวนำที่โปร่งใสและยืดหยุ่นนี้สามารถใช้ในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ จอแสดงผลแบบม้วนได้ และแผงสัมผัส ตลอดจนไฟ LED นอกจากนี้ยังเพิ่มความถี่ของสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างมาก ทำให้สามารถผลิตทรานซิสเตอร์ได้เร็วขึ้น เซ็นเซอร์กราฟีนยังดึงดูดความสนใจได้เป็นอย่างดี ด้วยความไวที่เหนือชั้น ทำให้สามารถตรวจจับโมเลกุลเดี่ยวของสารอันตราย ซึ่งช่วยให้ตรวจสอบสภาพแวดล้อมได้ง่ายขึ้น กราฟีนออกไซด์ที่กระจายอยู่ในอากาศยังมีความสามารถในการขจัดสารปนเปื้อนกัมมันตภาพรังสี โอกาสในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ด้วยกราฟีนเพิ่มขึ้นทุกปี การใช้งานที่มีอยู่ที่มีศักยภาพสูงสุด ได้แก่:

• กริดพลังงานที่ทันสมัย
• แหล่งกำเนิดแสงที่ประหยัดพลังงาน
• เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในอุปกรณ์สปินทรอนิกส์
• สารเคลือบป้องกันการกัดกร่อนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
• การกรองน้ำสำหรับการทำให้บริสุทธิ์และการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล
• ระบบสื่อสารออปโตอิเล็กทรอนิกส์

นอกจากนี้ยังมีการคาดเดาเกี่ยวกับการใช้กราฟีนในอนาคตสำหรับการผลิตส่วนประกอบโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบาและทนทานกว่าสำหรับรถยนต์ เครื่องบิน เรือและอุปกรณ์ต่างๆ ใช้ร่วมกับวัสดุเทียม (เช่น ยาง) เพื่อสร้างยางที่นำความร้อนได้ จากกราฟีน กระดาษที่แข็งแรงมากซึ่งสามารถนำไฟฟ้าได้ได้รับการพัฒนาขึ้นแล้ว

กราฟีนที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ – การใช้งานทางการแพทย์

น่าสังเกตคือความเป็นไปได้ของการใช้กราฟีนในด้านชีวการแพทย์ทั้งในด้านการวินิจฉัยและการรักษา ในฐานะผู้ให้บริการยา กราฟีนออกไซด์มีลักษณะความเข้ากันได้ทางชีวภาพสูงและความสามารถในการละลายที่ดีเยี่ยม ช่วยให้สามารถจ่ายสารต้านการอักเสบและต้านมะเร็งได้อย่างแม่นยำ เช่นเดียวกับเอนไซม์และสารแร่ เนื่องจากกราฟีนเป็นตัวนำความร้อนที่สมบูรณ์แบบ จึงใช้เพื่อทำลายเนื้องอกมะเร็งด้วย ปรากฏการณ์ของความร้อนช่วยให้สามารถใช้ความร้อนที่สะสมเพื่อลดความเจ็บปวดในเนื้อเยื่อ งานกำลังดำเนินการเกี่ยวกับการผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์และเสื้อผ้าที่ให้ความร้อน แผ่นกราฟีนยังใช้เป็นไบโอเซนเซอร์และสามารถช่วยวินิจฉัยโรคมะเร็งและโรคทางระบบประสาท (เช่น โรคลมบ้าหมูหรือโรคพาร์กินสัน) ด้วยอุปกรณ์พกพา โพรบกราฟีนที่พัฒนาโดยชาวโปแลนด์คาดว่าจะปฏิวัติการทดสอบ ECG โดยอนุญาตให้วัดจากระดับหัวใจ คุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรียของกราฟีนยังให้โอกาสในการแก้ไขวิกฤตที่เกี่ยวข้องกับการไม่รู้สึกตัวของแบคทีเรียต่อยาปฏิชีวนะที่เพิ่มขึ้น กราฟีนสามารถใช้เป็นพื้นฐานสำหรับการพัฒนาสารสำหรับควบคุมการติดเชื้อเฉพาะที่และการฆ่าเชื้อที่บาดแผล ความเป็นไปได้ของการ ใช้กราฟี นในด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อนั้นมีแนวโน้มที่ดี ความแข็งแรงเชิงกลของนั่งร้านคาร์บอนที่เป็นนวัตกรรมใหม่นั้นสูงมาก การศึกษาแสดงให้เห็นว่ามันเร่งการสร้างความแตกต่างของเซลล์ต้นกำเนิดและส่งเสริมการฟื้นตัวเร็วขึ้น

การผลิตกราฟีน

ตั้งแต่ปี 2014 เป็นต้นมา กราฟีนได้ถูกผลิตขึ้นในขนาดที่ใหญ่ขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ทางการค้า เทคนิคไมโครเครื่องกลแบบใหม่ช่วยให้ราคาวัสดุลดลงได้อย่างมาก ปัจจุบันผู้ผลิตชั้นนำคือสหรัฐอเมริกาและจีน ซึ่งมีกราไฟท์อสัณฐานราคาถูกจำนวนมาก กราไฟท์ระดับพรีเมียมต้องผลิตจากกราไฟท์ที่มีคุณภาพเพียงพอ ซึ่งต้องการใช้ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และต้องใช้คริสตัลที่เรียบและเรียงตามลำดับซึ่งได้มาจากกระบวนการพิเศษ ราคาของวัสดุก็สูงขึ้นตามลำดับ นักวิจัยชาวเกาหลีสามารถพัฒนาวิธีการผลิตกราฟีนได้อย่างมีประสิทธิภาพและคุ้มต้นทุนโดยการสะสมไอเคมี (CVD) ข้อเสียของการแก้ปัญหานี้คือคุณภาพของวัสดุที่ต่ำกว่าและความถี่ของข้อบกพร่องที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม ในบางแอปพลิเคชัน การดำเนินการนี้ไม่ก่อให้เกิดปัญหา เสายังมีส่วนช่วยในการพัฒนาวิธีการผลิตกราฟีนที่เป็นนวัตกรรมใหม่ สถาบันเทคโนโลยีวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ในวอร์ซอถือสิทธิบัตรสำหรับการผลิตวัสดุจากซิลิกอนคาร์ไบด์ ในปี 2015 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยลอดซ์ ประเทศโปแลนด์ ได้พัฒนาเทคโนโลยี HGSM ที่ก้าวล้ำทำให้สามารถผลิตแผ่นงานรูปแบบขนาดใหญ่คุณภาพสูงจากเฟสของเหลวได้

กราฟีนปลอดภัยหรือไม่?

ในฐานะที่เป็นวัสดุที่ค่อนข้างใหม่ กราฟีนทำให้เกิดข้อสงสัยที่เข้าใจได้ในบริบทของผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นต่อสุขภาพของมนุษย์ มีผู้กล่าวอ้างว่า โครงสร้างที่บางและเบาของกราฟีน จะเข้าสู่ปอดได้ง่าย ถือเป็นภัยคุกคามที่เทียบได้กับฝุ่นหรือใยหิน การศึกษาของจีนยังแนะนำว่าอนุภาคนาโนของคาร์บอนสองมิติสามารถปักหลักในอวัยวะภายในได้ นอกจากนี้ยังมีความเสี่ยงทางทฤษฎีที่กราฟีนอาจเป็นอันตรายต่อพืชและสัตว์เมื่อเข้าสู่ผิวดินและน้ำใต้ดิน อนุภาคละเอียดสามารถเกาะตามขอบแหล่งน้ำ และเพิ่มระดับความกระด้างของน้ำ อย่างไรก็ตาม ตามความรู้ในปัจจุบัน กราฟีนไม่เป็นพิษและไม่สัมพันธ์กับสารอันตราย ปริมาณของมันและโอกาสในการได้รับสัมผัสจึงต่ำมากหรือเพียงเล็กน้อย เมื่อสัมผัสกับผิวหนังจะไม่แสดงคุณสมบัติระคายเคือง นอกจากนี้ ผลการศึกษาระหว่างประเทศยังแสดงให้เห็นว่าการสูดดมไม่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาทางภูมิคุ้มกันที่ไม่พึงประสงค์ มีฉันทามติทั่วไปในชุมชนวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับความจำเป็นในการวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณสมบัติและการใช้งานของกราฟีน รวมถึงความปลอดภัยของกราฟีน วิธีนี้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพวิธีการใช้วัสดุที่เป็นนวัตกรรมใหม่โดยคำนึงถึงผลกระทบระยะยาวต่อมนุษย์และสิ่งแวดล้อม