ปี 2024 เป็นวาระครบรอบ 20 ปีที่โลกรู้จัก graphene ซึ่งเป็นวัสดุสองมิติที่บาง เบา และโปร่งใส เพราะประกอบด้วยวงแหวนของอะตอมคาร์บอนที่เรียงติดกันเป็นระนาบชั้นเดียว แผ่น graphene จึงมีความหนาประมาณเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมคาร์บอน (1.54x10^(-10) เมตร หรือ 15.4 นาโนเมตร) แม้ข้อมูลนี้จะส่อแสดงว่าแผ่น graphene บอบบาง แต่ความจริงกลับเป็นว่า มันแข็งแรงยิ่งกว่าเหล็กกล้า สามารถนำความร้อน และไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดง และเป็นวัสดุวิเศษที่นักวิชาการทั่วโลกสนใจ เพราะมันมีศักยภาพสูง ในการจะปฏิรูปวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในอนาคต แต่ความฝันนี้ ณ เวลานี้ก็ยังไม่เป็นจริง 100%
มหาวิทยาลัย Manchester ในอังกฤษ ซึ่งเป็นแหล่งให้กำเนิดของ graphene จึงได้จัดงานเฉลิมฉลองวาระสำคัญนี้พร้อม ๆ กับมหาวิทยาลัยที่นคร Madrid ในสเปน ที่ Munich ในเยอรมนี และที่ Prague ในสาธารณรัฐเช็ก
ในอดีตก่อนปี 2004 นักฟิสิกส์เคยเชื่อกันว่า เราจะไม่มีวันพบวัสดุที่ประกอบด้วย อะตอมที่เรียงกันเป็นแผ่นราบในสองมิติ เพราะความร้อนจากสภาพแวดล้อมจะทำให้พันธะเคมีระหว่างอะตอมในแผ่นแตกสลาย เวลาอะตอมเหล่านั้นสั่นไหวมาก
แต่ Andre Geim (1958-ปัจจุบัน) และ Konstantin Novoselov (1974-ปัจจุบัน) ไม่เชื่อในข้อห้ามนี้ และได้พยายามสร้างวัสดุสองมิติจาก graphite ซึ่งเป็นอัญรูปหนึ่งของ carbon เพราะ graphite มีโครงสร้างที่มีอะตอมคาร์บอนเรียงกันเป็นชั้น ๆ ในสามมิติ คนทั้งสองจึงได้พยายามแยกชั้นเหล่านั้นออกจากกัน โดยใช้เทคโนโลยีที่ดูง่ายจนแทบไม่น่าเชื่อ คือ ใช้เทปกาวใสแปะติดบนชิ้น graphite แล้วลอกเทปออก ก็ได้พบว่า มีแผ่นอะตอมคาร์บอนติดออกมา 2-3 แผ่นเรียงซ้อนกัน จึงจำต้องทำซ้ำ จนกระทั่งได้แผ่นอะตอมออกมาเพียงชั้นเดียว ที่ใคร ๆ ก็ไม่เชื่อว่าจะมีใครคนใดสามารถทำได้ นับว่าเป็นโชคดีที่นักฟิสิกส์ทั้งสองได้นำแผ่นอะตอมคาร์บอนที่ลอกออกมาจาก graphite มาวางลงบนวัสดุสามมิติ เช่น silicon dioxide (SiO2) ให้อะตอม silicon และ oxygen มีอันตรกิริยากับอะตอม carbon ทำให้แผ่นอะตอม carbon มีเสถียรภาพ และเมื่อแผ่นอะตอม carbon ได้มาจาก graphite นักฟิสิกส์จึงเรียกชื่อแผ่นว่า grapheme
เมื่อได้แผ่น graphene แล้ว Geim กับ Novoselov จึงได้ศึกษาสมบัติกายภาพต่างๆ ของ graphene นี่เป็นการบุกเบิกวิทยาการด้านสสารในสองมิติ เพราะวัสดุสองมิติที่มีความหนาระดับเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอม จึงมีสมบัติแตกต่างจากวัสดุที่ประกอบด้วยอะตอม หรือโมเลกุลในสามมิติมาก ผลงานนี้ทำให้คนทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2010
ตามปกติ อิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำจะมีอันตรกิริยาไฟฟ้ากับอะตอมต่าง ๆ ในสาร ทำให้พลังงานของอิเล็กตรอนมีค่าขึ้นกับโมเมนตัมยกกำลังสอง แต่ใน graphene สมบัติสมมาตรของโครงสร้างทำให้พลังงานของมันขึ้นกับโมเมนตัมยกกำลังหนึ่ง สมการที่ใช้ในการศึกษาธรรมชาติของอิเล็กตรอนใน graphene จึงเป็นสมการ Dirac ไม่ใช่สมการ Schrödinger เพราะมันเคลื่อนที่เร็วมาก คือ ประมาณ 1/100 ของความเร็วแสง และเคลื่อนที่ไปได้อย่างไม่สะดุด หรือกระดอนกลับ เวลาเผชิญอะตอมของสารเจือใด ๆ เลย นี่จึงเป็นการเคลื่อนที่ที่ต้องใช้ทฤษฎี quantum electrodynamics (QED) มาอธิบาย และเป็นเรื่องที่น่าสนใจมาก เพราะในอดีต เวลานักฟิสิกส์จะศึกษาธรรมชาติของระบบที่มีความเร็วสูงมาก ๆ เขาจำเป็นต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานสูง เช่น เครื่อง Large Hadron Collider (LHC) หรือสังเกตการเคลื่อนที่ของอนุภาครอบหลุมดำ แต่การพบ graphene ทำให้นักฟิกส์สามารถทดสอบความถูกต้องของทฤษฎี QED ได้ โดยใช้แผ่น graphene ในห้องทดลองธรรมดาๆ
ตามปกติในกลศาสตร์แบบ Newton เวลาอิเล็กตรอนมีพลังงานจลน์น้อยกว่าพลังงานศักย์ของกำแพง มันจะไม่สามารถทะลุทะลวงผ่านกำแพงไปได้ เหมือนรถยนต์ที่มีน้ำมันเชื้อเพลิงน้อย จะไม่สามารถแล่นข้ามยอดเขาสูงได้ แต่ในกลศาสตร์ควอนตัมปกติธรรมดา อิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาค สามารถแสดงตัวว่ามีสมบัติความเป็นคลื่นได้ด้วย ดังนั้นเวลาคลื่นอิเล็กตรอนกระทบกำแพงศักย์ คลื่นส่วนหนึ่งจะสะท้อน และอีกส่วนหนึ่งจะทะลุเข้าไปในกำแพง เหมือนเวลาเราฉายแสงไปกระทบผิวน้ำ จะมีแสงบางส่วนที่สะท้อนกลับ และบางส่วนที่ทะลุผ่านน้ำไปได้ ดังนั้น เราจึงรู้ว่าไม่ว่าอิเล็กตรอนจะมีพลังงานมากหรือน้อยเพียงใด มันก็จะมีโอกาสหรือความเป็นไปได้ ที่จะทะลุผ่านไปได้เสมอ แต่ผ่านไปได้ไม่สมบูรณ์ 100%
แต่สำหรับกรณีอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงมากๆ ทฤษฎี QED ได้พยากรณ์ว่า ไม่ว่ากำแพงศักย์จะสูงหรือต่ำเพียงใด เราก็มีโอกาสจะพบอิเล็กตรอนที่ทะลุผ่านกำแพงไปได้ 100% เต็มเสมอ
การทดลองโดยใช้แผ่น graphene แสดงให้เห็นความสามารถในการนำไฟฟ้าของมัน ซึ่งได้ยืนยันความถูกต้องของปรากฏการณ์ Klein tunneling ที่ Oskar Klein (1894-1977) ได้เคยทำนายไว้ตั้งแต่ปี 1929 ว่า อิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงจะเคลื่อนที่ผ่าน กำแพงศักย์ได้ 100% เสมือนว่าไม่มีกำแพงศักย์ใด ๆ มาขวางกั้นการเคลื่อนที่ของมันเลย
การรู้ว่าอิเล็กตรอนใน graphene มีความเร็วมากกว่าอิเล็กตรอนใน silicon อันเป็นวัสดุสำคัญที่เราใช้ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ปัจจุบันประมาณ 100 เท่า ได้จุดประกายให้นักวิจัยหลายคนสนใจการใช้ graphene แทน silicon ในการทำ computer chip และอุปกรณ์สื่อสารอื่น ๆ เช่น touch screen (จอสัมผัส) phone หรืออุปกรณ์กักเก็บพลังงาน ฯลฯ เพราะ graphene เป็นวัสดุสองมิติ อุปกรณ์ที่ทำด้วย graphene จึงมีขนาดเล็กกว่าอุปกรณ์ที่ใช้ silicon สามมิติทำ
ดังนั้นเราจึงมีการใช้ graphene เคลือบฉาก LED ใช้ทำเซลล์ไฟฟ้าสุริยะ และจอสัมผัส โดยอาศัยสมบัติการเป็นวัสดุที่เบาบาง โปร่งใส นำไฟฟ้าได้ดี และแข็งแรง
ในส่วนของการใช้ graphene ทำ chip นั้น ก็เป็นเรื่องที่น่าสนใจ เพราะการใช้ silicon ทำ chip ณ วันนี้ได้ถึงขอบเขตจำกัดของประสิทธิภาพแล้ว คือ มีขนาดเล็กสุด ๆ แล้ว และถ้าจะทำให้เล็กไปกว่านี้ chip ก็จะร้อนจนวงจรไฟฟ้าขาด แต่ graphene ก็มีปัญหาเช่นกัน เพราะมันมิใช่สารกึ่งตัวนำเหมือน silicon ดังนั้นจึงไม่สามารถทำหน้าที่เป็นสวิทช์ปิด-เปิดวงจรไฟฟ้าได้ ด้วยเหตุนี้กระแสไฟฟ้าจึงไหลผ่าน graphene ได้ตลอดเวลา โดยไม่มีกลไกใดสามารถหยุดยั้งกระแสไฟได้
การวิจัยในเวลาต่อมาได้แสดงให้เห็นว่า ถ้านำแผ่น graphene มาตัดให้เป็นแถบริบบิ้น (ribbon) มันสามารถทำหน้าที่สวิทช์ได้
แต่ประโยชน์ที่น่าสนใจมากที่สุด คือ ใช้ graphene ในระบบ analog เช่น ทำ radar, ดาวเทียมสื่อสาร และในอุปกรณ์ถ่ายภาพ ตลอดจนถึงการใช้ทำทรานซิสเตอร์แบบ field effect เพราะมันสามารถขยายสัญญาณที่มีความถี่สูงและมีกำลังอ่อน ให้ดังขึ้นได้
ปัญหาต่อไปที่ทำให้การใช้ graphene ไม่แพร่หลาย คือ การผลิต graphene เพื่อใช้ในอุตสาหกรรม เพราะเราผลิตมันในปริมาณมากและในเวลาสั้นยังไม่ได้ โดยวิธีง่ายที่สุดที่ใช้ในห้องปฏิบัติการขนาดเล็ก คือ การใช้ Scotch tape ทาบบน graphite สามมิติ แล้วลอกเทปออก วิธีนี้ทำให้ได้ graphene ช้าและในปริมาณน้อย และถ้าวัสดุ graphite มีโครงสร้างไม่สมบูรณ์แบบ แผ่น graphene ที่ได้ก็จะมีคุณภาพต่ำไปด้วย ดังนั้นการหาวิธีผลิต graphene ให้ได้มาก และมีคุณภาพดี โดยใช้เวลาสั้น ๆ จะสามารถปฏิรูปวงการอุตสาหกรรมกับวงการพลังงาน และก็อาจทำได้ โดยทำเป็น ultracapacitor ซึ่งเป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานที่ทำงานโดยใช้วิธีแยกประจุไฟฟ้า แทนที่จะกักเก็บพลังงานเคมี แบบที่ใช้ในแบตเตอรี่ทั่วไป เพราะนักวิจัยคาดหวังว่า ultracapacitor จะสามารถกักเก็บพลังงานได้มากเป็น 2 เท่า ของแบตเตอรี่ธรรมดาที่ใช้กันในปัจจุบัน
ในขณะที่ graphene ยังไม่ได้เป็นวัสดุวิเศษและมหัศจรรย์อย่างที่ใคร ๆ เคยคิด ในปี 2008 นักวิจัยชื่อ Andras Kis (1975-ปัจจุบัน) แห่ง Swiss Federal Institute of Technology ที่เมือง Lausanne (EPFL) ในสวิสเซอร์แลนด์ ก็ได้ความคิดใหม่ว่า วัสดุสองมิติมิจำเป็นจะต้องมีอะตอม carbon เป็นองค์ประกอบเสมอไป ธรรมดาชาติอาจจะมีวัสดุสองมิติที่มีอะตอมชนิดอื่นเป็นองค์ประกอบก็ได้
วัสดุดังกล่าวคือ TMDC ซึ่งย่อมาจากคำ transition metal dichalcogenide ที่มีโครงสร้างประกอบด้วยอะตอมของโลหะ transition เช่น molybdenum หรือ tungsten เป็นชั้นๆ สอดแทรกอยู่ระหว่างชั้นของแผ่น chalcogen ที่ประกอบด้วยอะตอมของ sulfur กับ selenium
TMDC เป็นวัสดุที่บางเบา โปร่งใส และสามารถดัดงอได้เหมือนแผ่น graphene การเปลี่ยนชนิดของอะตอมไปจาก carbon ทำให้ TMDC มีสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างไป เพราะ TMDC หลายชนิดเป็นสารกึ่งตัวนำ จึงสามารถนำมาใช้ทำ digital processor ได้ ที่มีขนาดใหญ่ระดับโมเลกุลได้ และมีประสิทธิภาพสูงกว่า processor ที่ทำจาก silicon
และจากความคิดนี้ ในอีก 3 ปีต่อมา ห้องปฏิบัติการทั่วโลก ก็ได้หันมาสนใจ TMDC กับวัสดุชนิดใหม่ ๆ เช่น silicene และ phosphene ซึ่งเป็นวัสดุสองมิติที่ถูกนำมาเรียงซ้อนกันหลายชั้นเป็นวัสดุสามมิติ ทำให้โครงสร้างของแถบพลังงานมีช่องว่างพลังงาน จึงเป็นสารกึ่งตัวนำ เพราะเวลาอิเล็กตรอนได้รับพลังงานมันจะกระโดดข้ามช่องว่างพลังงานที่มีค่ามากหรือน้อย ก็ขึ้นอยู่กับชนิดของสาร การมีวัสดุประเภทนี้ที่สามารถนำและไม่นำไฟฟ้าได้ก็เหมือนกับการมีเลข 1 และเลข 0 ในโลก digital
ในปี 2010 Andras Kis ได้ประสบความสำเร็จในการทำ transistor ที่ทำจากแผ่น TMDC ซึ่งประกอบด้วยแผ่น molybdenum disulfide (MoS2) เป็นครั้งแรก และเป็น transistor ขนาดเล็ก ที่ทำงานโดยใช้ศักย์ไฟฟ้าต่ำ อีกทั้งมีความสามารถในการดูดกลืนแสง และปล่อยแสงได้ดี MoS2 จึงเป็นวัสดุที่น่าสนใจ ในการนำมาใช้ทำเซลล์แสงอาทิตย์ และ photodetector เพราะ TMDC เพียงชั้นเดียวสามารถรับแสงได้มากกว่า 10% ซึ่งนับว่าค่อนข้างมากสำหรับวัสดุที่มีความหนามากกว่า 3 อะตอม และเมื่อมันสามารถรับแสงได้มาก ความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าก็ยิ่งมากตามไปด้วย เพราะเวลาที่อนุภาคแสง (photon) 1 อนุภาค มากระทบผลึก TMDC อิเล็กตรอนที่ได้รับแสงนั้นจะถูกกระตุ้นให้กระโดดข้ามช่องว่างพลังงาน และเคลื่อนที่ต่อไปเป็นกระแสไฟฟ้า การหลุดของอิเล็กตรอนจากแถบพลังงานจะทำให้เกิดช่องว่างที่เรียกว่า hole ในผลึก เพราะ hole มีประจุไฟฟ้าบวก ดังนั้นเวลามีการนำความต่างศักย์มากระทำ อนุภาค hole และอนุภาคอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปในทิศตรงกันข้ามกัน ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร
กระบวนการย้อนกลับของเหตุการณ์นี้ คือ การเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานแสงก็สามารถกระทำได้เช่นกัน โดยการอัดฉีดอิเล็กตรอนและ hole เข้าไปใน TMDC ซึ่งเวลาอนุภาคทั้งสองชนิดปะทะกัน จะเกิดแสง
ความสามารถในการเปลี่ยนแสงให้เป็นไฟฟ้า และไฟฟ้าให้เป็นแสงนี้ คือ เหตุผลที่ทำให้ TMDC สามารถนำไปใช้ในเทคโนโลยีสารสนเทศได้
ในปี 2515 นักวิจัยได้สาธิตให้เห็นว่า วัสดุ TMDC ที่ทำด้วย tungsten diselenide (WSe2) สามารถดูดกลืน และคายอนุภาค photon เดี่ยวได้ ความสามารถนี้ จึงแสดงให้เห็นว่า WSe2 สามารถเป็นวัสดุที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ และเมื่อ WSe2 มีขนาดเล็กกว่าวัสดุสารกึ่งตัวนำที่เคยใช้ในการผลิต photon การนำ WSe2 มาวางบนผิวของอุปกรณ์ต่าง ๆ จึงช่วยให้เราสามารถควบคุมการทำงานของมันได้ดี
จากตารางธาตุ เราจะเห็นได้ว่าธาตุ silicon (Si) อยู่ใต้ธาตุ carbon (C) และอยู่ในคอลัมน์เดียวกัน ดังนั้น silicon จึงมีพันธะเคมีเหมือน carbon และสามารถนำมาทำเป็นแผ่นได้เหมือน graphene แผ่นอะตอมของ silicon จึงมีชื่อเรียกว่า silicene ที่แข็งแรง คือ สามารถยืดและหดได้ ทำให้ช่องว่างพลังงานของมันเปลี่ยนค่าได้ silicene จึงเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดียิ่งกว่า TMDC แต่แผ่น silicene เวลาอยู่ในอากาศจะไม่เสถียร จึงไม่สามารถลอกออกมาจากผลึกของมันได้เหมือนวัสดุสองมิติอื่น ๆ และมีพบอยู่ในรูปของผลึกสามมิติเท่านั้น อีกทั้งมีสมบัติไม่เหมือน graphene
แต่ในปี 2013 Guy Le Lay แห่งมหาวิทยาลัย Aix-Marseille ในฝรั่งเศส ได้ประสบความสำเร็จในการสร้างแผ่น silicene บนก้อนวัสดุที่ทำด้วยเงิน (Nature 495, 152-153; 2013) เมื่อประสบความสำเร็จแล้ว Le Lay ได้ทดลองใช้ธาตุอื่น เช่น ธาตุ germanium (Ge) ทำแผ่น germanene บนก้อนทองคำ และใช้ธาตุดีบุก stanium (Sn) ผลิตแผ่น starnene ที่มีช่องว่างพลังงานกว้างกว่าของ silicene และ germanene ทำให้มันสามารถทำงานในที่อุณหภูมิสูงได้
โดยสรุป การศึกษาวัสดุสองมิติตลอดเวลา 20 ปีที่ผ่านมา ส่วนใหญ่เป็นการศึกษาสมบัติด้านกายภาพ ซึ่งเป็นประเด็นที่นักฟิสิกส์สนใจ แต่ยังไม่ได้ศึกษาสมบัติด้านการประยุกต์มากเท่าที่ควร เพราะวัสดุที่ดูมีคุณภาพดีเวลาอยู่ในห้องปฏิบัติการ มักจะดูไม่ดีเวลาอยู่นอกห้องปฏิบัติการ
ปัญหาใหญ่อีกประเด็นหนึ่งของการใช้วัสดุสองมิติ คือ เรายังไม่สามารถผลิตวัสดุสองมิติที่มีคุณภาพสูงได้มาก ได้เร็ว และได้ถูก การใช้เทปกาวเป็นการผลิตที่เหมาะสำหรับ TMDC และ phosphorene แต่ได้ผลช้ามาก และแพงมากด้วย
การวิจัยในอนาคต จึงมุ่งพัฒนาในประเด็นนี้ การพบว่าธาตุ arsenene (As) ซึ่งอยู่ใกล้ phosphorus (P) ในตารางธาตุ แต่มีมวลมากกว่า สามารถนำมาทำเป็นแผ่น arsenene และ phosphorene ได้ และกำลังเป็นวัสดุสองมิติใหม่ที่ทุกคนกำลังสนใจ
แต่ประเด็นที่น่าสนใจที่สุดก็คือ ธรรมชาติอาจจะมีวัสดุอื่นที่ดีกว่าวัสดุที่เราได้พบมาแล้ว แต่เรายังไม่รู้ว่าวัสดุนั้น ๆ เป็นธาตุอะไรบ้าง และจัดเรียงตัวกันอย่างไร
อ่านเพิ่มเติมจาก A. Shekaari; M. Jafari, Unveiling the first post-graphene member of silicon nitrides: A novel 2D material, Comput. Mater. Sci. 180 (2020)
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
