กราฟีน วัสดุแห่งอนาคต
กราฟีน (Graphene) ถือเป็นหนึ่งในวัสดุที่ปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมากที่สุดในศตวรรษที่ 21 ตั้งแต่การค้นพบในปี พ.ศ. 2547 วัสดุมหัศจรรย์ชนิดนี้ได้รับความสนใจจากนักวิจัยและภาคอุตสาหกรรมทั่วโลก เนื่องจากคุณสมบัติที่เหนือกว่าวัสดุอื่นๆ อย่างมีนัยสำคัญ
กราฟีนคืออะไร?
กราฟีนคือวัสดุที่ประกอบด้วยคาร์บอนอะตอมเพียงชั้นเดียว เรียงตัวเป็นโครงสร้างหกเหลี่ยมคล้ายรังผึ้งในระนาบสองมิติ วัสดุชนิดนี้มีความหนาเพียง 0.34 นาโนเมตร หรือเท่ากับขนาดของคาร์บอนอะตอมเดียว ทำให้เป็นวัสดุที่บางที่สุดในโลก
การค้นพบกราฟีนเป็นผลงานของศาสตราจารย์ ดร.อังเดร ไกม์ (Andre Geim) และศาสตราจารย์ ดร.คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (Konstantin Novoselov) จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ สหราชอาณาจักร ซึ่งผลงานนี้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2553
คุณสมบัติพิเศษของกราฟีน
1. ความแข็งแกร่งสูงสุด
กราฟีนมีความแข็งแรงทางกลสูงถึง 200 เท่าของเหล็กในน้ำหนักที่เท่ากัน ด้วยค่าความต้านแรงดึงสูงถึง 130 GPa และค่า Young’s modulus เกิน 1 TPa ทำให้เป็นวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดในโลก
2. การนำไฟฟ้าและความร้อนยอดเยี่ยม
กราฟีนเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม มีค่าการนำไฟฟ้าสูงถึง 10^6 S/m และมีค่าการนำความร้อนระหว่าง 3,000-5,000 W/m·K ซึ่งสูงกว่าทองแดงหลายเท่า
3. น้ำหนักเบาและบาง
แผ่นกราฟีนขนาด 1 ตารางเมตรมีน้ำหนักเพียง 0.77 มิลลิกรัม ทำให้เป็นวัสดุที่เบาที่สุดแต่แข็งแรงที่สุด
4. ความโปร่งแสงสูง
กราฟีนมีความโปร่งใสถึง 97-98% เหมาะสำหรับการนำไปใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และจอแสดงผล
5. ความยืดหยุ่น
กราฟีนสามารถงอและบิดตัวได้โดยไม่เสียรูปทรง เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น
การประยุกต์ใช้กราฟีนในปัจจุบันและอนาคต
1. อุตสาหกรรมพลังงาน
กราฟีนกำลังปฏิวัติวงการแบตเตอรี่และการกักเก็บพลังงาน โดยในปี 2025 มีการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้กราฟีนซึ่งสามารถชาร์จเต็มภายใน 5 นาที และมีอายุการใช้งานเกิน 4,000 รอบ พร้อมความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 350 Wh/kg
นอกจากกราฟีนแล้ว วัสดุขั้นสูงอย่าง Carbon Nanotube (CNT) ก็มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาแบตเตอรี่และการจัดเก็บพลังงาน อ่านเพิ่มเติมที่นี่
2. อิเล็กทรอนิกส์และจอแสดงผล
- ฟิล์มนำไฟฟ้าแบบโปร่งใสทดแทน ITO ในจอ OLED ลดต้นทุน 50%
- หน่วยประมวลผลกราฟีน (GrapheneGPU) ลดการใช้พลังงาน AI ได้ถึง 45%
- สมาร์ทโฟนที่พับได้และอุปกรณ์สวมใส่
3. การแพทย์และชีวการแพทย์
- ระบบนำส่งยาแบบกำหนดเป้าหมาย เพิ่มประสิทธิภาพได้ 5 เท่า
- เซนเซอร์ทางการแพทย์ที่มีความไวสูงถึง 10^-15 M
- วัสดุสำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อและการรักษามะเร็ง
4. สิ่งแวดล้อมและความยั่งยืน
- เทคโนโลยีการกรองน้ำทะเล ลดการใช้พลังงานเหลือ 1.5 kWh/m³
- การกรองอากาศและการแยกสารอุตสาหกรรม
- การเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นวัสดุกราฟีนที่มีมูลค่า
5. อุตสาหกรรมก่อสร้างและขนส่ง
- วัสดุคอมโพสิตสำหรับอากาศยาน ยานยนต์ และอาคาร
- วัสดุระบายความร้อนสำหรับชิปคอมพิวเตอร์และสมาร์ทโฟน
- เคลือบผิวป้องกันการกัดกร่อนได้นานถึง 20-50 ปี
6. สิ่งทอและเครื่องนุ่งห่ม
- เสื้อผ้ากีฬาที่มีคุณสมบัติระบายความชื้นและป้องกันรังสี UV
- สิ่งทออัจฉริยะที่มีคุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรีย
ความท้าทายและอนาคตของ “กราฟีน วัสดุแห่งอนาคต”
แม้กราฟีนจะมีศักยภาพสูง แต่ยังมีความท้าทายในหลายด้าน:
1. ต้นทุนการผลิต
ในปี 2025 ต้นทุนการผลิตกราฟีนชั้นเดียวขนาดใหญ่ด้วยวิธี CVD ลดลงเหลือ 30-50 ดอลลาร์สหรัฐต่อตารางเมตร (เทียบกับ 100 ดอลลาร์ในปี 2023) แต่ยังถือว่าสูงสำหรับการผลิตในระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่
2. กระบวนการผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
กระบวนการแบบดั้งเดิมใช้สารเคมีที่รุนแรง แต่ปัจจุบันมีการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่อย่าง:
- การลอกชั้นด้วยไฟฟ้าเคมี (Electrochemical Exfoliation)
- กราฟีนที่เหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์ (Laser-Induced Graphene)
- AI สำหรับการซ่อมแซมข้อบกพร่องในระดับอะตอม
3. การควบคุมคุณภาพ
อัตราผลผลิตของ CVD ปัจจุบันอยู่ที่ 70% (เป้าหมาย >95%) และยังต้องพัฒนามาตรฐานสากลสำหรับจำนวนชั้นและอัตราข้อบกพร่อง
4. ความปลอดภัยทางชีวภาพ
อนุภาคกราฟีนขนาดนาโนอาจมีความเสี่ยงต่อการสะสมในปอด ซึ่ง EU คาดว่าจะมีการประเมินครบถ้วนในปี 2025
กราฟีนในประเทศไทย
ประเทศไทยได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีกราฟีนอย่างจริงจัง โดยสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) และสถาบันการศึกษาชั้นนำ เช่น สจล. ได้พัฒนา:
- โรงงานต้นแบบผลิตกราฟีนระบบอัตโนมัติระดับอุตสาหกรรมแห่งแรกในไทย
- เทคโนโลยีการสังเคราะห์กราฟีนจากแก๊สเหลือทิ้งอุตสาหกรรม
- เซนเซอร์กราฟีนแบบพิมพ์สกรีนความไวสูง
- การถ่ายทอดเทคโนโลยีสู่ภาคเอกชน
อนาคตของกราฟีนในปี 2025 และหลังจากนี้
ปี 2025 ถือเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญของกราฟีน โดยคาดว่าจะเห็น:
- องค์ประกอบสำคัญที่เปลี่ยนโลก: แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าชาร์จเร็วหรือสมาร์ทโฟนที่พับได้
- ความครอบคลุม 80% ในฟิล์มระบายความร้อนสำหรับสมาร์ทโฟนระดับเรือธง
- การใช้งานทางการแพทย์: การอนุมัติระบบนำส่งยากราฟีนออกไซด์สำหรับมะเร็งสมองและตับอ่อน
- เมืองอัจฉริยะ: การประยุกต์ใช้ในระบบพลังงานหมุนเวียนและโครงสร้างพื้นฐาน
- อุปกรณ์ควอนตัม: การพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมและเทคโนโลยีระดับโมเลกุล
สรุป
กราฟีนไม่ใช่เพียงแค่วัสดุแห่งอนาคต แต่กำลังเป็นวัสดุของปัจจุบันที่กำลังเปลี่ยนแปลงโลกในทุกอุตสาหกรรม ตั้งแต่พลังงาน อิเล็กทรอนิกส์ การแพทย์ ไปจนถึงสิ่งแวดล้อม การพัฒนาอย่างต่อเนื่องในด้านเทคโนโลยีการผลิต การลดต้นทุน และการสร้างมาตรฐานสากล จะช่วยให้กราฟีนเข้าถึงการใช้งานในวงกว้างมากยิ่งขึ้น และสร้างนวัตกรรมที่ยั่งยืนสำหรับโลกในอนาคต
แหล่งอ้างอิง:
Bangkok Bank SME. “แบตเตอรี่กราฟีน ฝีมือคนไทย! ราคาถูก ชาร์จไว สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า.” https://www.bangkokbanksme.com/en/23-8up-graphene-battery-made-by-thai-people
Electricity and Industry. (2566). “สจล. ร่วมกับ ซัน วิชั่น เทคโนโลยี นำคณะกรรมาธิการการพลังงาน วุฒิสภา เยี่ยมชม นวัตกรรมแบตเตอรี่ กราฟีน.” https://www.electricityandindustry.com/graphene-battery/
กรุงเทพธุรกิจ. (2567). “วิจัยขึ้นห้าง! แบตเตอรี่กราฟีน สจล.ส่งถึงมือเอกชน.” https://www.bangkokbiznews.com/tech/innovation/1110006
กรุงเทพธุรกิจ. (2566). “สจล.ประกาศชัดผลิตกราฟีนระดับอุตสาหกรรมรายแรก.” https://www.bangkokbiznews.com/tech/innovation/1059831
มิติหุ้น. (2568). “แสนสิริ – สจล. พัฒนาพรีคาสท์เสริมกราฟีน มุ่งสู่เทคโนโลยีก่อสร้างแห่งอนาคต.” https://www.mitihoon.com/2025/07/31/564425/