นักฟิสิกส์ไทย ตามรอยโนเบล วิจัย “แกรฟีน” วัสดุแห่งโลกอนาคต

ภายใต้ความร่วมมือระหว่างสวทช. และ วิชาการดอทคอม
www.nstda.or.th  


            ทีมนักฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยมหิดล วิจัย “แกรฟีน” วัสดุที่พัฒนาโดยสองนักฟิสิกส์เจ้าของรางวัลโนเบลปีล่าสุด เน้นศึกษาสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของแกรฟีนในเชิงทฤษฎี เผยมีผลงานตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติแล้ว 11 ฉบับ หวังใช้เป็นองค์ความรู้พื้นฐานในการนำไปต่อยอดพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ นับเป็นทีมวิจัยกลุ่มแรกที่ศึกษาแกรฟีนในประเทศไทย  

            รศ.ดร.รัศมีดารา หุ่นสวัสดิ์ ผู้อำนวยการศูนย์วิจัยฟิสิกส์บูรณาการ ศูนย์ความเป็นเลิศทางฟิสิกส์(ThEP) และอาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล กล่าวว่า แกรฟีน(Graphene) เป็นวัสดุที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนเรียงตัวกันในลักษณะสองมิติ มีโครงสร้างเป็นรูปตาข่ายรวงผึ้ง ซึ่งเป็นโครงสร้างพื้นฐานของวัสดุคาร์บอนที่มีรูปแบบโครงสร้างชนิดอื่นในอัญรูปเดียวกัน เช่น ท่อนาโนคาร์บอน ฟูลเลอรีนหรือบัคกี้บอล และแกรไฟต์ ถูกค้นพบและพัฒนาขึ้นโดยสองนักฟิสิกส์ อังเดร กีม และ   คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ สหราชอาณาจักร
      
            “สมบัติที่น่าสนใจของแกรฟีน คือไม่เพียงเป็นโครงสร้างคาร์บอนที่บางที่สุดในโลก มีความหนาเพียง 1 อะตอม หรือประมาณ 10-10 เมตร เท่านั้น แต่แกรฟีนยังสามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าโลหะหรือสารกึ่งตัวนำชนิดอื่นมาก มีความโปร่งใสสูงถึง 98% และนำความร้อนได้ดี เป็นต้น แกรฟีนจึงเป็นวัสดุชนิดใหม่ที่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกให้ความสำคัญ เช่นเดียวกับทีมนักศึกษาภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ที่มีความสนใจและเป็นแรงบันดาลใจที่ช่วยผลักดันให้เกิดการรวมกลุ่มเป็นทีมวิจัยด้านแกรฟีนในที่สุด” 

            ปัจจุบันทีมวิจัยด้านแกรฟีนประกอบด้วยนักศึกษาปริญญาโทและเอกทั้งหมด 11 คน มี   รศ.ดร.รัศมีดารา หุ่นสวัสดิ์  และศ.(พิเศษ) อิ มิง ถัง เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา โดย รศ.ดร.รัศมีดารา กล่าวว่า “เราเริ่มทำงานวิจัยในปี 2549 เน้นการศึกษาสมบัติทางไฟฟ้าของแกรฟีนในเชิงทฤษฎี เพื่อค้นหาสมบัติและทำนายพฤติกรรมการทำงานของแกรฟีนในแง่มุมใหม่ๆ เพื่อเป็นองค์ความรู้พื้นฐานให้นักวิทยาศาสตร์นำไปประยุกต์ใช้พัฒนาแผ่น  แกรฟีนสำหรับสร้างอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต 

            “ตัวอย่างงานวิจัย เช่น การศึกษาสมบัติการเป็นซูเปอร์คอนดักเตอร์ (Superconductor) หรือการเป็นวัสดุตัวนำยิ่งยวดในแกรฟีน ของนายอัศนัย สุวรรณวรางกูร  การศึกษาแกรฟีนสองชั้น (Bilayer Graphene) และควบคุมแถบช่องว่างพลังงานด้วยการหาสนามไฟฟ้า ผลงานของ นายชัยพัฒนา ใสสะอาด รวมถึงการศึกษาการยืดออกของแกรฟีน ของ ดร.บำเหน็จ สุดชมโฉม ที่อาจจะเกิดสมบัติใหม่ๆ ที่ยังไม่เคยพบมาก่อน ซึ่งงานวิจัยทั้งหมดนี้ได้รับการสนับสนุนจากศูนย์ความเป็นเลิศทางฟิสิกส์ (ThEP) โครงการพัฒนาและส่งเสริมผู้มีความสามารถพิเศษทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (พสวท.) และสำนักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา (สกอ.)”

            รศ.ดร.รัศมีดารา กล่าวว่า ขณะนี้ผลงานวิจัยด้านแกรฟีนได้รับการตีพิมพ์ในวารสารระดับนานาชาติแล้วจำนวน 11 ฉบับ และถือได้ว่าเราเป็นกลุ่มวิจัยแรกในประเทศไทยที่ทำงานวิจัยแกรฟีนและมีผลงานในเชิงทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับในระดับนานาชาติ ส่วนเป้าหมายต่อจากนี้  ทีมวิจัยมีความหวังว่าจะทดลองเตรียมแกรฟีนเพื่อใช้ในการทดลองในด้านต่างๆ แต่ด้วยคนทำงานด้านนี้ยังมีน้อยและยังขาดห้องปฏิบัติการและอุปกรณ์การทดลองอีกมาก ดังนั้น หากในอนาคตมีห้องปฏิบัติการที่พร้อมและมีนักวิทยาศาสตร์ในสาขาอื่นๆ เช่น เคมี วิศวกรรม เข้ามาร่วมทำวิจัยด้านนี้มากขึ้น เชื่อว่าประเทศไทยก็มีศักยภาพเพียงพอที่จะพัฒนาแกรฟีนเพื่อประยุกต์ใช้กับงานทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ได้เช่นกัน” 

            นายวัชระ เลี้ยวเรียน นักศึกษาปริญญาเอก ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล กล่าวถึงงานวิจัยแกรฟีนในหัวข้อ Spin switching effect in a ferromagnetic graphene junction having a second gate ว่า ด้วยงาน “อิเล็กทรอนิกส์” มีแนวโน้มที่จะพัฒนาไปสู่ “สปินทรอนิกส์” ซึ่งก็คือการเปลี่ยนจากการใช้การควบคุมการไหลของอิเล็กตรอน หรือการไหลของกระแสไฟฟ้าในอุปกรณ์ไฟฟ้าทุกชนิด เช่น คอมพิวเตอร์ โทรศัพท์ โทรทัศน์ วิทยุ ฯลฯ มาเป็นการควบคุมการหมุน (spin) ของอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว จึงสนใจว่าวัสดุแกรฟีนมีสมบัติการเป็นสปินทรอนิกส์ได้ดีหรือไม่ ด้วยการคำนวณและสร้างสมการในการจำลองใส่อิเล็กตรอนที่มีการหมุนในรูปแบบต่างๆ เช่น  หมุนขึ้น (Spin up) หมุนลง(Spin down) เข้าไปในแผ่นแกรฟีนที่ถูกเหนี่ยวนำให้มีสมบัติความเป็นแม่เหล็ก และดูว่าแกรฟีนควบคุมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนได้ดีหรือไม่

            “ผลวิจัยพบว่า แกรฟีนมีสมบัติที่ดีในการกรองสปินของกระแสอิเล็กตรอน ซึ่งหากนำไปประยุกต์ใช้กับสปินทรอนิกส์ จะช่วยให้เก็บข้อมูลได้เพิ่มขึ้นเป็นทวีคูณเลยทีเดียว โดยผลงานวิจัยชิ้นนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Physica E: Low-dimensional System and Nanostructures เมื่อเดือนมีนาคม 2553 ส่วนการพัฒนาต่อยอด มีความตั้งใจจะหาแนวทางพัฒนาให้แกรฟีนสามารถควบคุมการกรองสปินของอิเล็กตรอนให้ได้ 100 %”

            สำหรับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปีนี้ที่ราชบัณฑิตสภาด้านวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดนมอบให้แก่สองนักฟิสิกส์ผู้พัฒนาแกรฟีนนั้น นายวัชระ กล่าวว่า “รู้สึกดีใจ และปลื้มใจอย่างมากที่งานวิจัยสาขานี้เป็นที่ยอมรับ และเป็นการยืนยันว่าแกรฟีนเป็นวัสดุที่มีความน่าสนใจและจะเป็นประโยชน์ต่อวงการนาโนอิเล็กทรอนิกส์อย่างยิ่ง พร้อมทั้งหวังว่าแกรฟีนจะเป็นวัสดุตัวใหม่ที่คนไทยรู้จักมากขึ้น”
                     
            ด้าน ศ.(พิเศษ) อิ มิง ถัง อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล และผู้วิจัยแกรฟีน กล่าวว่า แกรฟีน เป็นวัสดุที่จะทำให้เทคโนโลยีพัฒนาไปอย่างก้าวกระโดด มีนักวิทยาศาสตร์หลายประเทศให้ความสนใจศึกษาทดลองจำนวนมาก เช่น กลุ่มนักฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์กับสถาบันเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ประเทศรัสเซีย ได้ทดลองใช้แกรฟีนเป็นตัวนำโปร่งใสเคลือบบนอุปกรณ์โฟโตนิกส์ พบว่า แกรฟีนให้ค่าการส่องผ่านแสงสูงและมีสภาพต้านทานต่ำ เหมาะต่อการนำไปใช้สร้างอุปกรณ์เชิงแสง เช่น จอแสดงผลคอมพิวเตอร์  โทรทัศน์ และโทรศัพท์มือถือ ทดแทนการใช้อินเดียมที่มีราคาสูงและคาดกว่าจะหมดไปภายใน 10 ปีนี้ 

            “ล่าสุดบริษัทไอบีเอ็มผู้ผลิตคอมพิวเตอร์รายใหญ่ของโลก ได้ทดลองนำแผ่นแกรฟีนมาผลิตเป็นทรานซิสเตอร์ในคอมพิวเตอร์ พบว่า ช่วยให้การประมวลผลมีความเร็วขึ้นถึง 100 GHz ขณะที่ ซิลิคอน ซึ่งใช้อยู่เดิมมีการประมวลผลสูงสุดเพียง 3-4 GHz เท่านั้น นอกจากนี้ยังมีงานวิจัยศึกษาสมบัติในการเก็บประจุหรือกักเก็บพลังงานไฟฟ้า พบว่าแกรฟีนมีศักยภาพในการเก็บประจุได้สูงมาก นับเป็นความหวังที่จะนำมาใช้กักเก็บพลังงานสะอาด เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ เป็นต้น  อย่างไรก็ดี ด้วยสมบัติพิเศษที่มากมายเช่นนี้ จึงเป็นคำตอบว่าเหตุใด กีม และ โนโวเซลอฟ ได้รับรางวัลโนเบลภายหลังจากการค้นพบแกรฟีนเพียง 5-6 ปีเท่านั้น และในไม่ช้า “แกรฟีน” จะเป็นวัสดุที่สร้างประวัติศาสตร์หน้าใหม่ให้แก่วงการด้านอิเล็กทรอนิกส์อีกครั้ง”  ศ.(พิเศษ) อิ มิง ถัง กล่าวทิ้งท้าย 

เจาะลึกการพัฒนาแกรฟีน
            แกรฟีน เป็นวัสดุที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนเรียงตัวกันในลักษณะสองมิติ มีโครงสร้างเป็นรูปตาข่ายรวงผึ้ง  ถูกค้นพบและพัฒนาขึ้นโดยสองนักฟิสิกส์ อังเดร กีมและ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ ด้วยวิธีที่เรียกว่า “micromechanical cleavage หรือ Scotch tape method”  คือใช้ สก๊อตเทปแปะเกร็ดแกรไฟต์ (graphite flake)และดึงลอกแกรฟีนออกมาทีละชั้น เนื่องด้วยโครงสร้างแกรไฟต์ประกอบด้วยชั้นของแกรฟีนที่ซ้อนกันอยู่เป็นชั้นๆ  และแต่ละชั้นยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงอ่อนๆ ที่เรียกว่าแรงแวนเดอร์วาล์วเท่านั้น แม้การแยกแกรฟีนจะดูไม่ยาก แต่สิ่งที่ยากคือการค้นหาแกรฟีนให้เจอและพิสูจน์ให้ได้ว่าเป็นแกรฟีนที่มีความหนาเพียง 1 อะตอม เพราะแกรฟีนมีความโปร่งใสมาก แต่ในที่สุดพวกเขาก็สามารถค้นหาแกรฟีนได้สำเร็จ ด้วยการนำไปวางบนวัสดุรองรับซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) ที่อยู่บนซิลิคอน (Si) อีกชั้นหนึ่ง ซึ่งเป็นวัสดุรองรับ (Substate) ที่ช่วยให้แกรฟีนเผยโฉมบนโลกใบนี้ในที่สุด

หมายเหตุ :
ใช้คำว่าแกรฟีน ตามราชบัณฑิต
ข้อมูลภาพจาก : ทีมวิจัยแกรฟีน ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล   
http://nobelprize.org/