กราฟีนคืออะไร?
กราฟีนเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติหลายอย่างที่สามารถปฏิวัติเทคโนโลยีได้
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:
- เยื่อที่สร้างด้วยกราฟีนสามารถแยกเกลือออกจากน้ำทะเลและทำให้น้ำทะเลบริสุทธิ์ได้
- ตัวกรองกราฟีนสามารถลดการปล่อย CO2 โดยแยกก๊าซที่เกิดจากอุตสาหกรรมและธุรกิจ
- เซ็นเซอร์ชีวการแพทย์ที่เร็วกว่ามากนั้นใช้กราฟีนและสามารถตรวจจับโรค ไวรัส และสารพิษอื่นๆ ได้
- วัสดุก่อสร้างเช่นคอนกรีตและอลูมิเนียมจะเบาและแข็งแรงขึ้นเมื่อเติมกราฟีน
- ทำสีผมด้วยการฉีดกราฟีน นานถึง 30 ครั้ง
- เศษเล็กเศษน้อยและแข็งแรงขึ้นเนื่องจากการแทนที่ซิลิกอนด้วยกราฟีน
- เซลล์แสงอาทิตย์มีความยืดหยุ่นดีขึ้น มีความโปร่งใสมากขึ้น และลดต้นทุนการผลิตด้วยการใช้กราฟีน
- แบตเตอรี่ที่มีการจัดเก็บพลังงานที่ดีขึ้นและเร็วขึ้น
- จักรยานสามารถมียางและเฟรมที่แน่นกว่าและมีน้ำหนัก 350 กรัมโดยใช้กราฟีน
น้ำดื่ม
การปล่อย CO2
การตรวจหาโรค
การก่อสร้าง
สุนทรียศาสตร์
ไมโครอุปกรณ์
พลังงาน
อิเล็กทรอนิกส์
ความคล่องตัว
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