กราฟีนคืออะไร?

กราฟีนเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติหลายอย่างที่สามารถปฏิวัติเทคโนโลยีได้

กราฟีน

OpenClipart-Vectors ภาพใน Pixabay

กราฟีนเป็นวัสดุที่ประกอบด้วยชั้นอะตอมของคาร์บอนสองมิติที่จัดเรียงเป็นโครงสร้างหกเหลี่ยม ซึ่งมีความสูงเท่ากับอะตอม วัสดุนี้สามารถผลิตได้โดยการแยกชั้นผิวของกราไฟต์ แร่ธาตุที่มีอยู่มากมายบนโลก และหนึ่งในอัลโลโทรปของคาร์บอนที่พบได้บ่อยที่สุด

พันธะเคมีและความหนาของกราฟีนมีหน้าที่รับผิดชอบคุณสมบัติที่สำคัญหลายประการขององค์ประกอบนี้ เช่น ความต้านทานเชิงกลและการนำความร้อนและไฟฟ้า คุณลักษณะเหล่านี้ดึงดูดนักวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมเทคโนโลยีเนื่องจากมีความเป็นไปได้ในการใช้งานอย่างไม่สิ้นสุด

การค้นพบกราฟีน

กราฟีนสองมิติที่เสถียรถูกค้นพบโดยบังเอิญในปี 2547 โดยนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย Andre Geim และ Konstantin Novoselov การค้นพบนี้ทำให้นักวิจัยได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2010 อย่างไรก็ตาม การดำรงอยู่ของ carbon allotrope นี้เป็นที่รู้จักมาตั้งแต่ปี 1930

คุณสมบัติของกราฟีน

กราฟีนมีคุณสมบัติมากมายที่ทำให้เป็นวัสดุที่มีการใช้งานทางเทคโนโลยีหลายอย่าง รู้คุณสมบัติหลักของ allotrope นี้

คุณสมบัติทางกล

กราฟีนเป็นวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดเท่าที่เคยมีมา ความต้านทานนี้เกิดจากพันธะที่แข็งแกร่งที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมของคาร์บอน วัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการก่อสร้างโยธา เช่น เหล็ก ทนแรงดันได้เพียงหนึ่งในสามเท่านั้น

คุณสมบัติที่น่าสนใจอีกประการของกราฟีนคือโมดูลัสของ Young ที่สูง ซึ่งบ่งชี้ว่าวัสดุนี้มีความยืดหยุ่นสูง นอกเหนือจากความทนทาน จึงสามารถกลับคืนสู่ขนาดเดิมได้โดยง่าย

พื้นที่เล็กๆ ของคาร์บอนหกเหลี่ยมแต่ละอันมีหน้าที่ไม่ให้กราฟีนซึมผ่านได้สูง ซึ่งสามารถใช้เป็นตาข่ายขนาดเล็กที่สามารถกักเก็บก๊าซที่รั่วออกจากภาชนะได้ง่าย เช่น ก๊าซไฮโดรเจน นอกจากจะทนทานอย่างยิ่งแล้ว กราฟีนยังเบามาก: ความหนาแน่นของมันคือ 0.77 g/m² หรืออีกนัยหนึ่งคือเบากว่ากระดาษหนึ่งแผ่นประมาณพันเท่า

คุณสมบัติทางไฟฟ้า

อิเล็กตรอนสามารถแพร่กระจายผ่านกราฟีนได้อย่างอิสระโดยปราศจากการโก่งตัวหรือการชนกัน เนื่องจากโครงสร้างหกเหลี่ยมของพันธะคาร์บอน อิเล็กตรอนจึงเคลื่อนที่ภายในชั้นบางๆ เหล่านี้ด้วยความเร็วเชิงสัมพัทธภาพ กล่าวคือ ใกล้เคียงกับความเร็วแสง

ที่อุณหภูมิห้อง ความต้านทานไฟฟ้าของกราฟีนจะต่ำที่สุด ดังนั้นองค์ประกอบนี้จึงถือได้ว่าเป็นตัวนำโลหะที่ดีที่สุด

คุณสมบัติทางแสง

ด้วยการให้แสงตกกระทบ 97.5% ผ่าน กราฟีนจะมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า พฤติกรรมทางแสงนี้เกิดขึ้นจากคุณสมบัติเชิงสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนในกราฟีน นี่ก็หมายความว่า โดยการซ้อนกราฟีนหลายแผ่น มันเป็นไปได้ที่จะสร้างวัตถุสีดำสนิท ซึ่งสามารถดูดซับรังสีเกือบทั้งหมดที่เกิดขึ้นบนมันได้

คุณสมบัติทางความร้อน

เนื่องจากคุณสมบัติทางไฟฟ้า กราฟีนจึงเป็นตัวนำความร้อนที่ดีเยี่ยม วัสดุนี้สามารถกระจายความร้อนได้เร็วกว่าวัสดุที่รู้จัก นอกจากนี้ การศึกษาบางชิ้นยังชี้ให้เห็นว่าอุณหภูมิหลอมเหลวอยู่ที่ 3851 °C

ดังนั้นคุณสมบัติและคุณสมบัติหลักของกราฟีนคือ:

  • มีความบางมาก: เป็นความหนาของอะตอม
  • มีความทนทานสูง: แข็งแรงกว่าเหล็กประมาณ 200 เท่า;
  • มีความยืดหยุ่น
  • มันกันน้ำ
  • โปร่งใส: ส่งผ่านแสงประมาณ 97.5%;
  • มีการนำความร้อนและไฟฟ้าสูง: นำพลังงานไฟฟ้าได้เร็วกว่าทองแดงถึง 100 เท่า การศึกษายังแสดงให้เห็นว่าความเร็วที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านกราฟีนคือ 1,000 กม./วินาที (เร็วกว่าซิลิคอน 60 เท่า)
  • มีความแข็งสูง
  • มันมีผลจูลน้อยกว่า: มันสูญเสียพลังงานน้อยลงในรูปของความร้อนเมื่อนำอิเล็กตรอน

การประยุกต์ใช้กราฟีน

เนื่องจากคุณสมบัติและลักษณะเฉพาะ กราฟีนจึงเป็นหนึ่งในวัสดุที่มีแนวโน้มดีที่สุดที่เป็นที่รู้จัก การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีมีมากมาย แต่ถูกจำกัดด้วยความสามารถในการผลิตวัสดุนี้ในขนาดใหญ่ อุปกรณ์ต่างๆ เช่น หน้าจอ LED แบบพับได้ เซลล์แสงอาทิตย์ ทรานซิสเตอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ตัวเก็บประจุยิ่งยวด ฮีตซิงก์ และแบตเตอรี่ซุปเปอร์เซลล์เป็นตัวอย่างของเทคโนโลยีที่พัฒนาโดยใช้กราฟีน

นอกจากนี้ กราฟีนยังสามารถนำไปใช้ในด้านอื่น ๆ ของการศึกษา เช่น:

น้ำดื่ม

เยื่อที่สร้างด้วยกราฟีนสามารถแยกเกลือออกจากน้ำทะเลและทำให้น้ำทะเลบริสุทธิ์ได้

การปล่อย CO2

ตัวกรองกราฟีนสามารถลดการปล่อย CO2 โดยแยกก๊าซที่เกิดจากอุตสาหกรรมและธุรกิจ

การตรวจหาโรค

เซ็นเซอร์ชีวการแพทย์ที่เร็วกว่ามากนั้นใช้กราฟีนและสามารถตรวจจับโรค ไวรัส และสารพิษอื่นๆ ได้

การก่อสร้าง

วัสดุก่อสร้างเช่นคอนกรีตและอลูมิเนียมจะเบาและแข็งแรงขึ้นเมื่อเติมกราฟีน

สุนทรียศาสตร์

ทำสีผมด้วยการฉีดกราฟีน นานถึง 30 ครั้ง

ไมโครอุปกรณ์

เศษเล็กเศษน้อยและแข็งแรงขึ้นเนื่องจากการแทนที่ซิลิกอนด้วยกราฟีน

พลังงาน

เซลล์แสงอาทิตย์มีความยืดหยุ่นดีขึ้น มีความโปร่งใสมากขึ้น และลดต้นทุนการผลิตด้วยการใช้กราฟีน

อิเล็กทรอนิกส์

แบตเตอรี่ที่มีการจัดเก็บพลังงานที่ดีขึ้นและเร็วขึ้น

ความคล่องตัว

จักรยานสามารถมียางและเฟรมที่แน่นกว่าและมีน้ำหนัก 350 กรัมโดยใช้กราฟีน

ในบรรดาการศึกษาที่เกี่ยวข้องกับกราฟีน ผู้ที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาสายส่งข้อมูลใหม่สำหรับอินเทอร์เน็ตมีความโดดเด่น จากการสำรวจที่ตีพิมพ์โดยนิตยสาร การสื่อสารธรรมชาติแนวคิดคือการใช้ประโยชน์จากความเร็วทั้งหมดที่อิเล็กตรอนในกราฟีนเข้าถึงได้ เซลล์จะเคลื่อนที่เร็วกว่าในสายเคเบิลที่ใช้อยู่ในปัจจุบันหลายร้อยเท่า

ความสำคัญของกราฟีนสำหรับบราซิล

บราซิลเป็นส่วนหนึ่งของการแข่งขันทางเทคโนโลยีเพื่อค้นหาวิธีการผลิตกราฟีนที่ถูกกว่าและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ตามรายงานที่จัดทำโดยกรมผลิตแร่แห่งชาติ (DNPM) ตลาดกราฟีนควรเป็นหนึ่งในตลาดที่ทำกำไรได้มากที่สุดในโลก โดยมีศักยภาพในการเข้าถึงสูงถึง 1 ล้านล้านดอลลาร์ใน 10 ปี นอกจากนี้ บราซิลยังมีแหล่งแกรฟีนสำรองที่ใหญ่ที่สุดในโลก

ราคากราฟีน

เนื่องจากวิธีการที่ซับซ้อนในการได้มา ราคาของกราฟีนจึงยังสูงอยู่ เทคนิคล่าสุดที่ช่วยให้การผลิตชั้นบริสุทธิ์และบางของวัสดุนี้ทำงานกับการสะสมไอบนพื้นผิวโลหะ เช่น แผ่นทองแดง

ปัจจุบัน แผ่นกราฟีนขนาด 2.08 ซม. x 1.54 ซม. สามารถมีราคาสูงถึง 275 ดอลลาร์ โดยเฉลี่ยอยู่ที่ 21 ดอลลาร์ต่อตารางนิ้ว อย่างไรก็ตาม ปัจจัยต่างๆ เช่น สิ่งเจือปนและความไม่สมดุลสามารถลดราคานี้ได้อย่างมาก กราฟีนยังสามารถหาได้จากกราไฟท์: ด้วยกราไฟท์ 1 กิโลกรัมซึ่งมีราคาประมาณ 1 ดอลลาร์ สามารถผลิตกราฟีนได้ 150 กรัม ซึ่งมีมูลค่าเกิน 15,000 ดอลลาร์

ความอยากรู้เกี่ยวกับกราฟีน

  • โครงการ Graphene Flagship จากสหภาพยุโรป จัดสรรงบประมาณประมาณ 1.3 พันล้านยูโรสำหรับการวิจัยเกี่ยวกับกราฟีน การใช้งาน และการพัฒนาการผลิตในระดับอุตสาหกรรม รวมแล้ว 150 สถาบันจาก 23 ประเทศเข้าร่วมในโครงการนี้
  • กระเป๋าเดินทางใบแรกที่พัฒนาขึ้นเพื่อการเดินทางในอวกาศมีกราฟีนอยู่ในองค์ประกอบ การเปิดตัวมีกำหนดในปี 2033 เมื่อ NASA วางแผนที่จะดำเนินการสำรวจไปยังดาวอังคาร
  • Borophene เป็นคู่แข่งรายใหม่ของกราฟีน วัสดุนี้ซึ่งค้นพบในปี 2558 ถูกมองว่าเป็นกราฟีนรุ่นปรับปรุง โดยมีความยืดหยุ่น ต้านทาน และนำไฟฟ้าได้มากกว่า

กระบวนการในการรับกราฟีน การประยุกต์ใช้งาน และความสำคัญของกราฟีนสำหรับบราซิล