กราฟีน (Graphene) คือแผ่นคาร์บอนบริสุทธิ์หนาเพียงหนึ่งอะตอม มีโครงสร้างเป็นตาข่ายหกเหลี่ยมแบบเดียวกับแผ่นกราไฟต์ ถือเป็นวัสดุ 2 มิติ (2D material) ที่บางที่สุด มีความยืดหยุ่นและแข็งแรงกว่าเหล็กกล้าถึง 200 เท่า มีน้ำหนักเบาและโปร่งใส นำไฟฟ้าและความร้อนได้อย่างยอดเยี่ยม จึงได้รับการขนานนามว่าเป็น "วัสดุมหัศจรรย์" (wonder material) ของศตวรรษที่ 21
ประวัติของกราฟีน
- ค.ศ. 1859 : เซอร์ เบนจามิน คอลลินส์ โบรดี (Sir Benjamin Collins Brodie) เป็นคนแรกๆ ที่สังเกตเห็นโครงสร้างเป็นชั้นของแกรไฟต์ออกไซด์ที่ถูกรีดิวซ์ด้วยความร้อน
- ค.ศ. 1916 : 1924: มีการระบุโครงสร้างของแกรไฟต์โดยละเอียดโดยใช้วิธีการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์
- ค.ศ. 1947 : พี. อาร์. วอลเลซ (P. R. Wallace) ได้เสนอทฤษฎีเกี่ยวกับกราฟีนเป็นครั้งแรก เพื่อทำความเข้าใจคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของแกรไฟต์แบบ 3 มิติ
- ค.ศ. 1962 : ฮันส์ ปีเตอร์ โบห์ม (Hanns Peter Boehm) เป็นผู้บัญญัติศัพท์ "กราฟีน" (graphene) อย่างเป็นทางการ ในขณะที่ทำงานเกี่ยวกับฟิล์มคาร์บอนชั้นเดียว
- ค.ศ. 2004 : การค้นพบครั้งสำคัญเกิดขึ้นโดย ศาสตราจารย์ อังเดร ไกม์ (Andre Geim) และ ศาสตราจารย์ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (Konstantin Novoselov) แห่งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ สหราชอาณาจักร พวกเขาประสบความสำเร็จในการแยกชั้นกราฟีนอะตอมเดียวออกจากแกรไฟต์ (ไส้ดินสอ) โดยใช้วิธีที่เรียบง่ายอย่างน่าเหลือเชื่อ คือการใช้เทปกาวธรรมดา (scotch tape method) ลอกชั้นกราไฟต์ออกเป็นชั้นบาง ๆ จนได้กราฟีนความหนาเพียงหนึ่งอะตอม
- ค.ศ. 2010 : อังเดร ไกม์ และ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ จากผลงานการค้นพบกราฟีน ซึ่งเป็นวัสดุที่บางที่สุดในโลกและมีคุณสมบัติที่น่าทึ่ง
งานวิจัยในปัจจุบัน
1. พลังงานและการจัดเก็บพลังงาน (แบตเตอรี่ / ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ / แบตเตอรี่ EV)
กราฟีนถูกนำไปใช้เป็นส่วนผสมในอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่หรือตัวเก็บประจุ (supercapacitor) เพื่อให้เก็บประจุได้มากขึ้น ชาร์จและคายประจุได้เร็วขึ้น เนื่องจากมีพื้นที่ผิวสูงและนำไฟฟ้าได้ดี ซึ่งงานวิจัยล่าสุดสรุปว่าโครงสร้างผสมของกราฟีน + วัสดุอื่น (metal-oxide, polymer ฯลฯ) ช่วยแก้ข้อจำกัดด้านพลังงานหนาแน่น (energy density) ของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทั่วไปได้ดีขึ้น ดังนั้นกราฟีนอาจเป็นกุญแจของระบบจัดเก็บพลังงานในอนาคต (แบตเตอรี่, storage system, fuel cell และอื่นๆ)
2. อิเล็กทรอนิกส์ / อุปกรณ์ความเร็วสูง / การจัดการความร้อน / อุปกรณ์ยืดหยุ่น
กราฟีนถูกใช้ในวิจัยสำหรับทรานซิสเตอร์ความเร็วสูง จอ display แบบยืดหยุ่น แผ่นนำไฟฟ้าโปร่งใส และระบบจัดการความร้อน เพราะคุณสมบัติการนําไฟฟ้าและนำความร้อนที่ดี รวมถึงมีความบางเป็นพิเศษ โดยมีการคาดหมายกันว่ากราฟีนจะเป็นวัสดุหลักในอนาคตสำหรับอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ประหยัดพลังงาน
อีกทั้งยังมีงานวิจัยใหม่ด้าน Spintronics และ Quantum electronics โดยนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้กราฟีนที่ห่อหุ้มด้วยวัสดุ 2D อื่นเพื่อทำ contact แบบ 1D กับกราฟีน แล้วทดลอง spin injection (การใช้ spin ของอิเล็กตรอน แทน charge) ซึ่งอาจนำไปสู่คอมพิวเตอร์/ชิปที่เร็วกว่า และประหยัดพลังงานกว่าปัจจุบัน
3. การจัดการความร้อนและระบบไฟฟ้าสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า (EV)
งานวิจัยล่าสุดปี 2025 ชี้ว่า กราฟีนและวัสดุที่ผสมกับกราฟีน ใช้ได้ดีในระบบ Thermal-management ของแบตเตอรี่ EV ซึ่งช่วยระบายความร้อน ป้องกันแบตเตอรี่เสีย เพิ่มความปลอดภัยและอายุการใช้งานแบตเตอรี่
4. การแพทย์
กราฟีนถูกศึกษาสำหรับระบบส่งยา (drug-delivery) ชิ้นส่วนอิมปลันต์ และสื่อปลูกเนื้อเยื่อ (scaffold for tissue engineering) เพราะสามารถเคลือบวัสดุอื่น เพิ่มความแข็งแรง และให้ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ นอกจากนี้ กราฟีนยังถูกใช้เป็นเซ็นเซอร์ชีวภาพ (biosensor) ที่มีความไวสูงสำหรับการตรวจวินิจฉัยโรค การตรวจวัดเคมีในร่างกาย
5. วัสดุคอมโพสิต (Composite materials)
งานวิจัยสรุปว่า เมื่อกราฟีนผสมกับพลาสติก โลหะ หรือวัสดุอื่น ๆ จะทำให้ได้วัสดุที่แข็งแรงมาก น้ำหนักเบา นำไฟฟ้าและความร้อนได้ดีมาก เหมาะกับหลายอุตสาหกรรม เช่น ยานยนต์ โครงสร้างอากาศยาน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น
งานวิจัยกราฟีนในประเทศไทย
ในประเทศไทยมีหลายผลงานวิจัยที่เกี่ยวกับกราฟีน ทั้งงานในมหาวิทยาลัย หน่วยงานวิจัย และภาคอุตสาหกรรม ที่เด่น ๆ ก็มี
1. พัฒนาระบบกรองน้ำสำหรับกรองน้ำใต้ดิน (Groundwater filtration) โดยใช้วัสดุกราฟีนออกไซด์ + nanoclay ซึ่งเป็นเมมเบรนระดับนาโนที่กรองสิ่งปนเปื้อนได้ มีโอกาสนำไปใช้จริงในชุมชน โรงเรียน หมู่บ้าน ... วิจัยโดย NSTDA และจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
2. ศึกษาการนำกราฟีนไปใช้ควบคู่กับอนุภาคทองคำ (AuNPs) เพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการย่อยสลายสารไวไฟหรือสารเคมี เช่น ฟอร์มาลดีไฮด์ เพื่อลดปัญหาสิ่งแวดล้อม ... วิจัยโดยมหาวิทยาลัยพะเยา
3. งานวิจัยการผลิตกราฟีนแบบประหยัดต้นทุน โดยใช้ดินสอกดแทน graphite คุณภาพสูง ผลที่ได้คือกราฟีนที่มีสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีดี และอาจลดต้นทุนการผลิตลง ทำให้กราฟีนใช้ได้กว้างขึ้น ... วิจัยโดย NSTDA และจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
4. งานวิจัยนำวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตรมาแปลงเป็น graphite แล้วสังเคราะห์เป็นกราฟีนออกไซด์ โดยวิธีที่คำนึงถึงสิ่งแวดล้อม และได้กราฟีนออกไซด์ที่มีคาร์บอนสูง (~ 93%) และมีค่าความต้านทานต่ำ เป็นแนวทางการผลิตกราฟีนจากของเหลือใช้ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีต้นทุนต่ำ ... วิจัยโดยมหาวิทยาลัยราชภัฏเพชรบูรณ์
5. ศึกษาการเคลือบวัสดุ UHMWPE (พลาสติก/polymer น้ำหนักโมเลกุลสูง) ด้วยกราฟีนชนิด nanoplatelets + ฉายรังสีอิเล็กตรอน (E-beam) เพื่อเพิ่มสมบัติเชิงกล ไฟฟ้า และผิวสัมผัส ซึ่งช่วยให้วัสดุพื้นฐานทั่วไปมีสมบัติดีขึ้นมาก เหมาะกับงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ ... วิจัยโดยมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ
ที่มา : Wikipedia, Gemini, ChatGPT
ความรู้รอบตัว - EP3 : กราฟีน วัสดุมหัศจรรย์ ... จากไส้ดินสอสู่รางวัลโนเบลฟิสิกส์
ประวัติของกราฟีน
- ค.ศ. 1859 : เซอร์ เบนจามิน คอลลินส์ โบรดี (Sir Benjamin Collins Brodie) เป็นคนแรกๆ ที่สังเกตเห็นโครงสร้างเป็นชั้นของแกรไฟต์ออกไซด์ที่ถูกรีดิวซ์ด้วยความร้อน
- ค.ศ. 1916 : 1924: มีการระบุโครงสร้างของแกรไฟต์โดยละเอียดโดยใช้วิธีการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์
- ค.ศ. 1947 : พี. อาร์. วอลเลซ (P. R. Wallace) ได้เสนอทฤษฎีเกี่ยวกับกราฟีนเป็นครั้งแรก เพื่อทำความเข้าใจคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของแกรไฟต์แบบ 3 มิติ
- ค.ศ. 1962 : ฮันส์ ปีเตอร์ โบห์ม (Hanns Peter Boehm) เป็นผู้บัญญัติศัพท์ "กราฟีน" (graphene) อย่างเป็นทางการ ในขณะที่ทำงานเกี่ยวกับฟิล์มคาร์บอนชั้นเดียว
- ค.ศ. 2004 : การค้นพบครั้งสำคัญเกิดขึ้นโดย ศาสตราจารย์ อังเดร ไกม์ (Andre Geim) และ ศาสตราจารย์ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (Konstantin Novoselov) แห่งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ สหราชอาณาจักร พวกเขาประสบความสำเร็จในการแยกชั้นกราฟีนอะตอมเดียวออกจากแกรไฟต์ (ไส้ดินสอ) โดยใช้วิธีที่เรียบง่ายอย่างน่าเหลือเชื่อ คือการใช้เทปกาวธรรมดา (scotch tape method) ลอกชั้นกราไฟต์ออกเป็นชั้นบาง ๆ จนได้กราฟีนความหนาเพียงหนึ่งอะตอม
- ค.ศ. 2010 : อังเดร ไกม์ และ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ จากผลงานการค้นพบกราฟีน ซึ่งเป็นวัสดุที่บางที่สุดในโลกและมีคุณสมบัติที่น่าทึ่ง
งานวิจัยในปัจจุบัน
1. พลังงานและการจัดเก็บพลังงาน (แบตเตอรี่ / ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ / แบตเตอรี่ EV)
กราฟีนถูกนำไปใช้เป็นส่วนผสมในอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่หรือตัวเก็บประจุ (supercapacitor) เพื่อให้เก็บประจุได้มากขึ้น ชาร์จและคายประจุได้เร็วขึ้น เนื่องจากมีพื้นที่ผิวสูงและนำไฟฟ้าได้ดี ซึ่งงานวิจัยล่าสุดสรุปว่าโครงสร้างผสมของกราฟีน + วัสดุอื่น (metal-oxide, polymer ฯลฯ) ช่วยแก้ข้อจำกัดด้านพลังงานหนาแน่น (energy density) ของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทั่วไปได้ดีขึ้น ดังนั้นกราฟีนอาจเป็นกุญแจของระบบจัดเก็บพลังงานในอนาคต (แบตเตอรี่, storage system, fuel cell และอื่นๆ)
2. อิเล็กทรอนิกส์ / อุปกรณ์ความเร็วสูง / การจัดการความร้อน / อุปกรณ์ยืดหยุ่น
กราฟีนถูกใช้ในวิจัยสำหรับทรานซิสเตอร์ความเร็วสูง จอ display แบบยืดหยุ่น แผ่นนำไฟฟ้าโปร่งใส และระบบจัดการความร้อน เพราะคุณสมบัติการนําไฟฟ้าและนำความร้อนที่ดี รวมถึงมีความบางเป็นพิเศษ โดยมีการคาดหมายกันว่ากราฟีนจะเป็นวัสดุหลักในอนาคตสำหรับอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ประหยัดพลังงาน
อีกทั้งยังมีงานวิจัยใหม่ด้าน Spintronics และ Quantum electronics โดยนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้กราฟีนที่ห่อหุ้มด้วยวัสดุ 2D อื่นเพื่อทำ contact แบบ 1D กับกราฟีน แล้วทดลอง spin injection (การใช้ spin ของอิเล็กตรอน แทน charge) ซึ่งอาจนำไปสู่คอมพิวเตอร์/ชิปที่เร็วกว่า และประหยัดพลังงานกว่าปัจจุบัน
3. การจัดการความร้อนและระบบไฟฟ้าสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า (EV)
งานวิจัยล่าสุดปี 2025 ชี้ว่า กราฟีนและวัสดุที่ผสมกับกราฟีน ใช้ได้ดีในระบบ Thermal-management ของแบตเตอรี่ EV ซึ่งช่วยระบายความร้อน ป้องกันแบตเตอรี่เสีย เพิ่มความปลอดภัยและอายุการใช้งานแบตเตอรี่
4. การแพทย์
กราฟีนถูกศึกษาสำหรับระบบส่งยา (drug-delivery) ชิ้นส่วนอิมปลันต์ และสื่อปลูกเนื้อเยื่อ (scaffold for tissue engineering) เพราะสามารถเคลือบวัสดุอื่น เพิ่มความแข็งแรง และให้ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ นอกจากนี้ กราฟีนยังถูกใช้เป็นเซ็นเซอร์ชีวภาพ (biosensor) ที่มีความไวสูงสำหรับการตรวจวินิจฉัยโรค การตรวจวัดเคมีในร่างกาย
5. วัสดุคอมโพสิต (Composite materials)
งานวิจัยสรุปว่า เมื่อกราฟีนผสมกับพลาสติก โลหะ หรือวัสดุอื่น ๆ จะทำให้ได้วัสดุที่แข็งแรงมาก น้ำหนักเบา นำไฟฟ้าและความร้อนได้ดีมาก เหมาะกับหลายอุตสาหกรรม เช่น ยานยนต์ โครงสร้างอากาศยาน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น
งานวิจัยกราฟีนในประเทศไทย
ในประเทศไทยมีหลายผลงานวิจัยที่เกี่ยวกับกราฟีน ทั้งงานในมหาวิทยาลัย หน่วยงานวิจัย และภาคอุตสาหกรรม ที่เด่น ๆ ก็มี
1. พัฒนาระบบกรองน้ำสำหรับกรองน้ำใต้ดิน (Groundwater filtration) โดยใช้วัสดุกราฟีนออกไซด์ + nanoclay ซึ่งเป็นเมมเบรนระดับนาโนที่กรองสิ่งปนเปื้อนได้ มีโอกาสนำไปใช้จริงในชุมชน โรงเรียน หมู่บ้าน ... วิจัยโดย NSTDA และจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
2. ศึกษาการนำกราฟีนไปใช้ควบคู่กับอนุภาคทองคำ (AuNPs) เพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการย่อยสลายสารไวไฟหรือสารเคมี เช่น ฟอร์มาลดีไฮด์ เพื่อลดปัญหาสิ่งแวดล้อม ... วิจัยโดยมหาวิทยาลัยพะเยา
3. งานวิจัยการผลิตกราฟีนแบบประหยัดต้นทุน โดยใช้ดินสอกดแทน graphite คุณภาพสูง ผลที่ได้คือกราฟีนที่มีสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีดี และอาจลดต้นทุนการผลิตลง ทำให้กราฟีนใช้ได้กว้างขึ้น ... วิจัยโดย NSTDA และจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
4. งานวิจัยนำวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตรมาแปลงเป็น graphite แล้วสังเคราะห์เป็นกราฟีนออกไซด์ โดยวิธีที่คำนึงถึงสิ่งแวดล้อม และได้กราฟีนออกไซด์ที่มีคาร์บอนสูง (~ 93%) และมีค่าความต้านทานต่ำ เป็นแนวทางการผลิตกราฟีนจากของเหลือใช้ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีต้นทุนต่ำ ... วิจัยโดยมหาวิทยาลัยราชภัฏเพชรบูรณ์
5. ศึกษาการเคลือบวัสดุ UHMWPE (พลาสติก/polymer น้ำหนักโมเลกุลสูง) ด้วยกราฟีนชนิด nanoplatelets + ฉายรังสีอิเล็กตรอน (E-beam) เพื่อเพิ่มสมบัติเชิงกล ไฟฟ้า และผิวสัมผัส ซึ่งช่วยให้วัสดุพื้นฐานทั่วไปมีสมบัติดีขึ้นมาก เหมาะกับงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ ... วิจัยโดยมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ
ที่มา : Wikipedia, Gemini, ChatGPT