ใครๆ ก็รู้ว่า เวลาเราผ่านกระแสไฟฟ้าไปในเส้นลวด ความต้านทานไฟฟ้าของลวดจะเกิดจากการพุ่งชนกันเองระหว่างอิเล็กตรอน และระหว่างอิเล็กตรอนกับไอออนในลวด ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนสูญเสียพลังงานจลน์ และพลังงานนี้ได้กลายไปเป็นพลังงานความร้อน นี่จึงเป็นปรากฏการณ์ที่แสดงให้เห็นว่า พลังงานไฟฟ้าได้เปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อน ที่สามารถทำงานได้
คำถามที่ชวนคิดและจุดประกายให้เราคิดต่อ คือ วัสดุชนิดใดหรือที่มีโครงสร้างรูปแบบใด สามารถให้ความร้อนจากไฟฟ้าได้มากที่สุด และเราสามารถจะควบคุมทิศการเคลื่อนที่ของความร้อนที่เกิดขึ้นได้หรือไม่ และถ้าได้ เราจะต้องใช้วิธีใด ในเมื่อสมบัติการนำความร้อนกับสมบัติการนำไฟฟ้าเป็นสมบัติที่เกิดขึ้นพร้อมกัน และจากในอดีตที่เราเคยรู้ว่าสภาพนำความร้อน/สภาพนำไฟฟ้า จะมีค่าคงตัวที่อุณหภูมิหนึ่งนั้น (กฎ Wiedemann–Franz) จะเปลี่ยนแปลงอย่างไรหรือไม่ และในกรณีที่มีการนำไฟฟ้าและการนำความร้อนใน graphene ซึ่งเป็นวัสดุใน 2 มิติ และในวัสดุที่มีโครงสร้างรูปแบบใหม่ๆ เช่น kagome lattice สภาพการนำไฟฟ้ากับการนำความร้อนจะมีความสัมพันธ์กันอย่างไร ตลอดจนถึงการตั้งคำถามที่สำคัญมาก คือ ถ้าไฟฟ้าทำให้เกิดความร้อนแล้ว ความร้อนจะทำให้เกิดไฟฟ้าได้หรือไม่
เพราะไฟฟ้าเป็นแหล่งพลังงานสำคัญที่มีบทบาทมากในการเปลี่ยนโลกอุตสาหกรรม โลกธุรกิจ โลกวิทยาศาสตร์ โลกสุขภาพ ฯลฯ ดังนั้นการค้นหาแหล่งพลังงานที่สร้างไฟฟ้าได้ จึงเป็นเรื่องสำคัญมากที่คนทุกคนสนใจ เพื่อนำมาใช้ในการกิจกรรมต่าง ๆ ไม่เพียงแต่จะใช้บนโลกเท่านั้น แม้แต่นอกโลกก็ยังต้องใช้ไฟฟ้า เช่น ในกรณียานอวกาศ ดาวเทียม หรือสถานีอวกาศบนต่างดาวก็จำต้องมีไฟฟ้าใช้ เพื่อให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องและเป็นเวลานาน โดยใช้ความร้อนที่เกิดจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี แล้วเปลี่ยนพลังงานความร้อนไปเป็นพลังงานไฟฟ้า เช่น บนยาน Cassini, Voyager และ New Horizon เป็นต้น ความต้องการนี้ยังครอบคลุมถึงการนำความร้อนที่ถูกขับทิ้งเป็น “ขยะความร้อน” ว่า สามารถจะนำไปใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าด้วย
ดังนั้นประเด็นที่ต้องนำมาพิจารณา คือ วัสดุอะไรมีประสิทธิภาพสูงสุดในการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากความร้อน
สำหรับคำตอบของคำถามที่ว่า เราจะสร้างไฟฟ้าจากความร้อนได้หรือไม่นั้น คำตอบก็คือ “ได้” โดยใช้ความรู้จากปรากฏการณ์ไฟฟ้า-ความร้อน (thermoelectric phenomenon) ที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ย่อย ๆ อีกสามรูปแบบ คือ ปรากฏการณ์ Seebeck, ปรากฏการณ์ Peltier และปรากฏการณ์ Thomson
ในปี 1821 Thomas Johann Seebeck (1770–1831) ซึ่งเกิดที่เมือง Tallinn ใน Estonia ได้อพยพไปเรียนต่อที่เยอรมนี เมื่อมีอายุได้ 17 ปี หลังจากที่สำเร็จการศึกษาแพทยศาสตร์จากมหาวิทยาลัย Göttingen แล้ว Seebeck กลับได้สนใจฟิสิกส์มาก และได้พบปรากฏการณ์ Seebeck ที่เกิดขึ้นในวงจรไฟฟ้าซึ่งประกอบด้วยโลหะหรือสารกึ่งตัวนำ 2 ชนิดที่แตกต่างกัน เวลารอยต่อทั้งสองมีอุณหภูมิไม่เท่ากัน (คือ รอยต่อหนึ่งร้อน และอีกรอยต่อหนึ่งเย็น) Seebeck ได้เห็นเข็มทิศที่วางอยู่ใกล้วงจรกระดิกเล็กน้อย เหตุการณ์นี้ทำให้ Seebeck ตระหนักว่า ได้มีกระแสไฟฟ้าไหลในวงจรแล้ว และเหตุการณ์นี้ก็ได้เคยพบโดย Hans Christian Ørsted (1777-1851) ซึ่งเป็นเพื่อน ที่พบว่า เวลาเส้นลวดมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน จะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นในบริเวณรอบเส้นลวด
Seebeck จึงเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า thermomagnetism แต่ในเวลาต่อมา ชื่อดังกล่าวก็ได้เปลี่ยนมาเป็น thermoelectricity
ในการอธิบายสาเหตุที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์นี้ นักฟิสิกส์ได้พบว่าเมื่อปลายทั้งสองของลวดตัวนำมีอุณหภูมิแตกต่างกัน คือ มีความชันของอุณหภูมิ (temperature gradient) อิเล็กตรอน (หรือ hole) ที่อยู่ตรงบริเวณปลายลวด จะได้รับพลังงานความร้อน คือ มีพลังงานจลน์มากขึ้น และจะเคลื่อนที่ไปยังอีกปลายลวดอีกข้างหนึ่ง การกระจายตัวของประจุไฟฟ้าทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและสนามไฟฟ้าในตัวนำนี้ มีผลทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้า ตามสมการ
สมการนี้ จึงแสดงให้เห็นว่า ถ้าความต่างของอุณหภูมิมีค่ายิ่งสูง ความต่างศักย์ไฟฟ้าก็จะยิ่งมาก และกระแสไฟฟ้าก็จะยิ่งมากตามไปด้วย
ตามปกติ S จะมีค่าเป็นบวก ถ้าประจุที่เคลื่อนที่เป็นแบบชนิด p (hole) และจะมีค่าเป็นลบ ถ้าประจุเป็นชนิด n (electron) สำหรับในกรณีของทองแดงนั้น S มีค่าเท่ากับ +1.5x10^(-6) V/kelvin ที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส
ปรากฏการณ์นี้ จึงสามารถนำไปใช้เป็นอุปกรณ์วัดอุณหภูมิของระบบต่าง ๆ ได้ โดยวัสดุที่ใช้เป็นโลหะ เช่น bismuth และ constantan เป็นต้น
หรือใช้สารกึ่งตัวนำ selenium และ tellurium สำหรับ bismuth telluride (Bi2Te2) และ lead telluride (PbTe) นั้น NASA ได้พบว่า สามารถแสดงปรากฏการณ์ Seebeck ได้ดีที่สุด จึงนำไปใช้ทำอุปกรณ์วิทยาศาสตร์บนยานอวกาศ Curiosity เพื่อสำรวจดาวอังคาร
สำหรับปรากฏการณ์ Peltier นั้น ผู้พบคือ Jean-Charles Athanase Peltier (1785–1845) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ได้พบในปี 1834 ว่า เวลาให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านรอยต่อ (junction) ระหว่างโลหะสองชนิดที่แตกต่างกัน ทิศการไหลของกระแสไฟฟ้าจะทำให้ความร้อนเกิดขึ้น หรือความร้อนถูกดูดกลืนที่บริเวณรอยต่อนั้น
สำหรับประวัติความเป็นมาของ Peltier นั้น เดิมเขามีอาชีพเป็นช่างทำนาฬิกา และได้เริ่มเรียนฟิสิกส์เมื่ออายุ 30 ปี เมื่อได้พบปรากฏการณ์ Peltier หลัง Seebeck 13 ปี ก็ได้ตีพิมพ์เผยแพร่ผลงานในปี 1836 ในวารสาร Annales de Chimie et de Physique ว่า เป็นปรากฏการณ์ที่สวนปรากฏการณ์ Seebeck จึงมีประโยชน์ในการนำไปใช้ทำอุปกรณ์หล่อเย็นในยานอวกาศ เพื่อให้การบริหารจัดการความร้อนให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมได้
หลักการทำงานของปรากฏการณ์นี้ก็คล้ายกับของปรากฏการณ์ Seebeck คือ เวลาประจุเคลื่อนที่ไปสู่สถานะที่มีพลังงานสูงขึ้น มันจะดึงดูดพลังงานความร้อนจากรอยต่อ รอยต่อจึงมีพลังงานน้อยลงและเย็นลง แต่ในทางตรงกันข้าม ถ้าประจุเคลื่อนที่ไปสู่สถานะที่มีพลังงานน้อยกว่า มันก็จะปลดปล่อยพลังงานความร้อนออกมา รอยต่อก็จะมีพลังงานสูงขึ้น คือ ร้อนขึ้น
โดยอัตราการนำส่งความร้อนในปรากฏการณ์นี้ เป็นไปตามสมการ
dQ/dt = (PA-PB).I
เมื่อ PA กับ PB คือ สัมประสิทธิ์ Peltier ของวัสดุ A และ B ตามลำดับ ส่วน I คือ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านรอยต่อ ดังนั้นปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้น หรือสูญเสียก็จะขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธิ์ PA กับ PB
รอยต่อ Peltier ที่นิยมใช้ ได้แก่ copper กับ bismuth, nickel กับ iron และ permalloy (Ni80Fe20)
สำหรับปรากฏการณ์ Thomson นั้น ก็เป็นปรากฏการณ์หนึ่งที่เกิดขึ้น เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุตัวนำตัวเดียว แต่ตามเส้นทางการไหลของกระแสไฟฟ้ามีความชันของอุณหภูมิ นั่นคือ ณ ตำแหน่งต่างๆ บนเส้นทางการไหล มีอุณหภูมิที่ไม่เท่ากัน ดังนั้นความร้อนจะเกิด หรือจะถูกดูดกลืนก็ได้ ซึ่งเหตุการณ์นี้ขึ้นกับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า และชนิดของวัสดุ
นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ William Thomson หรือ Lord Kelvin (1824–1907) เป็นผู้พบปรากฏการณ์นี้ในปี 1854 ว่า นอกเหนือจากความร้อนที่เกิดจากความต้านทานไฟฟ้าของลวด (Joule heating) แล้ว ก็ยังมีความร้อน Thomson เพิ่มหรือลด สวมทับลงไปอีกด้วย โดยปริมาณความร้อนแบบ Thomson นี้ สามารถคำนวณได้จากสมการ
ตัวอย่างของวัสดุที่แสดงปรากฏการณ์ Thomson ได้แก่ copper, antimony, silver, zinc, cadmium ฯลฯ ที่กระแสไหลจากร้อนไปเย็น และความร้อนถูกดูดกลืนที่บริเวณรอยต่อ แต่ถ้ากระแสไหลจากเย็นไปร้อน ความร้อนก็จะถูกปล่อยออกมา
ส่วนในวัสดุ เช่น iron, platinum, bismuth, cobalt และ nickel เวลากระแสไฟฟ้าไหลจากร้อนไปเย็น ความร้อนจะถูกปล่อยออกมา และเวลากระแสไหลจากเย็นไปร้อน ความร้อนจะถูกดูดกลืน
นักเทคโนโลยีจึงใช้ปรากฏการณ์นี้ในอุปกรณ์ thermocouple เพื่อวัดอุณหภูมิและพลังงาน
สัมประสิทธิ์ทั้งสองของปรากฏการณ์ thermoelectricity นี้ มีความสัมพันธ์กันตามสมการ P = S.T เมื่อ P, S, T คือ สัมประสิทธิ์ Peltier, สัมประสิทธิ์ Seebeck และอุณหภูมิ ตามลำดับ
William Thomson (เป็นคนละคนกับ J.J Thomson ผู้พบอิเล็กตรอน) เป็นนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ผู้วางพื้นฐานของวิชา thermodynamics โดยการตั้งกฎข้อที่หนึ่ง และข้อที่สองของวิชานี้ นอกจากนี้ Thomson ซึ่งในเวลาต่อมาได้รับบรรดาศักดิ์เป็น Lord Kelvin ต่อจากนั้นชื่อ Kelvin ก็ถูกนำไปใช้เป็นหน่วยวัดอุณหภูมิ (Kelvin) William Thomson เกิดเมื่อปี 1824 ที่ Ireland ได้ตีพิมพ์งานวิจัยชิ้นแรก เมื่อมีอายุเพียง 16 ปี และจบการศึกษาจากมหาวิทยาลัย Cambridge ในปี 1845 จากนั้นก็ได้รับแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Glasgow เมื่อมีอายุเพียง 22 ปี และได้ครองตำแหน่งนี้เป็นเวลานาน 53 ปี
นอกจากจะได้พบปรากฏการณ์ Thomson แล้ว ก็ยังได้พบปรากฏการณ์ Joule-Thomson อีกด้วยว่า เวลาปล่อยให้แก๊สขยายตัวไปในสุญญากาศ อุณหภูมิของแก๊สจะลด Thomson ยังเป็นนักวิศวกรและนักประดิษฐ์ ที่มีสิ่งประดิษฐ์มากถึง 70 ชิ้นด้วย และมีผลงานสำคัญ คือ เป็นผู้อำนวยการในโครงการวางสายเคเบิลโทรเลขข้ามมหาสมุทร Atlantic เป็นครั้งแรกด้วย ผลงานเหล่านี้ทำให้ William Thomson ได้เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกของอังกฤษ ที่ได้รับบรรดาศักดิ์เป็น Lord Kelvin of Largs (Largs เป็นเมืองใน Scotland) จึงเป็นวุฒิสมาชิกของรัฐสภาอังกฤษ
แม้จะประสบความสำเร็จสูงมากในชีวิต แต่ Thomson ก็มีความคิดที่ผิดพลาดหลายเรื่อง เช่น ได้พบว่าโลกมีอายุ 30-40 ล้านปี (อายุจริง คือ 4,540 ล้านปี) อีกทั้งไม่เชื่อเรื่องอะตอมว่ามีจริง และไม่เชื่อว่ามนุษย์จะสร้างเครื่องบินได้
ในวารสาร Nature Physics ปี 2025; 21 (9): 1374 DOI: 10.1038/s41567-025-02972-Z โดย Aniket Majumdar, Nisarg Chadha, Pritam Pal, Akash Gugnani, Bhaskar Ghawri, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Subroto Mukerjee, Arindam Ghosh. ได้เผยแพร่งานวิจัยชื่อ “Universality in quantum critical flow of charge and heat in ultraclean graphene.” โดยได้เสนอให้เห็นว่า อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปบน graphene มีพฤติกรรมเสมือนเป็นของเหลวที่ไหลไปได้ อย่างแทบปราศจากแรงหนืดใดๆ มาต้านทาน (แต่ของเหลวนี้ มิใช่ superfluid ที่มีแรงหนืดต้านเท่ากับศูนย์) ถ้า graphene นั้น สะอาดบริสุทธิ์สุดๆ คือ ไร้สารเจือ และไร้ความบกพร่องในด้านโครงสร้างใดๆ
graphene เป็นวัสดุสองมิติ ที่มีศักยภาพในการพัฒนาเทคโนโลยีมาก เพราะเป็นแผ่นระนาบที่เรียงรายด้วยวงแหวนรูปหกเหลี่ยมด้านเท่าของอะตอมคาร์บอน เพียงชั้นเดียว มันจึงเป็นวัสดุที่หนาน้อยที่สุดในโลก (0.334-0.345 นาโนเมตร) เพราะอะตอมคาร์บอนมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ 0.33 นาโนเมตร ดังนั้นแผ่น graphite ที่หนา 1 มิลลิเมตร จะมีแผ่น graphene ได้ 3 ล้านชิ้น
นักเทคโนโลยีปัจจุบันนิยมใช้ graphene ในการทำ computer chip, touch screen, EV battery, electrical grid etc.
แม้มนุษย์จะรู้จักใช้คาร์บอนมานานนับแสนปี แต่นักวิทยาศาสตร์ก็เพิ่งได้ศึกษาคาร์บอนเมื่อร้อยปีมานี่เอง และเมื่อรู้จัก silicon ก็ได้นำ silicon มาใช้ในการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และพบว่า silicon กำลังอยู่ในสถานะที่จะพัฒนาต่อให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นได้ยากยิ่ง
ในปี 2004 Andre Geim (1958-ปัจจุบัน) กับ Konstantin Novoselov (1974-ปัจจุบัน) แห่งมหาวิทยาลัย Manchester ในอังกฤษ ได้พบ graphene โดยการนำเทปกาวมาแปะบน graphite แล้วดึงเทปออก ก็จะได้แผ่น graphene การศึกษาธรรมชาติของ graphene ได้ทำให้คนทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2010 เพราะเขาได้พบว่า graphene มีความแข็งแกร่งยิ่งกว่าเหล็กกล้า และแข็งยิ่งกว่าเพชร สามารถนำความร้อนได้ดีกว่าทองแดงที่อุณหภูมิห้อง มีสมบัติโปร่งใส เพราะ graphene บางมาก และดูดกลืนแสงได้ 2% อีกทั้งสามารถนำไปดัดงอและบิดโค้งได้ง่าย ส่วนสมบัติทางกายภาพที่เด่น ๆ ของ graphene คือ อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วมาก คือ ใกล้ความเร็วแสง จากการที่ graphene เป็นสารกึ่งตัวนำ ที่มีช่องว่างพลังงานเท่ากับศูนย์ (zero gap semiconductor) ตรงตำแหน่ง Dirac point
ในการศึกษาพฤติกรรมของอิเล็กตรอนใน graphene ทีมวิจัย ซึ่งนำโดย Arindam Ghosh แห่งภาควิชาฟิสิกส์ของ Indian Institute of Science ได้ใช้ graphene ที่สมบูรณ์แบบ คือ ปราศจากจุดบกพร่องใด ๆ เพื่อศึกษาสมบัติการนำไฟฟ้าและสมบัติการนำความร้อน แต่ได้พบความประหลาดใจที่คาดไม่ถึง เมื่อประจักษ์ว่า สมบัติทั้งสองด้านแทนที่จะดีขึ้นพร้อมกัน หรือแย่ลงพร้อมกัน สมบัติทั้งสองกลับเปลี่ยนแปลงไปในทิศตรงกันข้าม คือ เมื่อสมบัติการนำไฟฟ้าดีขึ้น สมบัติการนำความร้อนกลับแย่ลง
ดังนั้นสมบัติทั้งสองนี้ จึงขัดแย้งกับกฎของ Wiedemann–Franz ที่พบในปี 1853
การพบสมบัติที่แตกต่างกันนี้ แสดงให้เห็นธรรมชาติของการนำไฟฟ้าและการนำความร้อนใน graphene ณ จุด Dirac ซึ่งแสดงให้เห็นสถานะภาพของการอยู่บนรอยต่อระหว่างโลหะและอโลหะ ดังนั้นนักฟิสิกส์สามารถจะทำให้เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นได้ โดยการปรับจำนวนอิเล็กตรอน เพราะเมื่อวัสดุอยู่ในสภาพนี้ อิเล็กตรอนจะหยุดแสดงพฤติกรรมว่าเป็นอนุภาค แต่จะเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องกันไปเหมือนเป็นของเหลวที่ไหลไป โดยแทบไม่มีแรงหนืดใด ๆ มาต้านทาน ด้วยเหตุนี้จึงมีชื่อเรียกของเหลวนี้ว่า Dirac fluid ซึ่งเป็นของเหลวที่มีพฤติกรรมคล้าย plasma อันประกอบด้วยอนุภาค quark และ gluon และมีสภาพใกล้เคียงของเหลว superfluid มาก จึงสามารถนำไปใช้ทำ quantum sensor ที่มีประสิทธิภาพสูงมากได้ เพราะมันสามารถรับสัญญาณไฟฟ้าที่อ่อนมากได้ และวัดความเข้มของสนามแม่เหล็กที่มีค่าต่ำมากก็ได้ด้วย
ถึงวันนี้ graphene จึงเป็นระบบที่เต็มไปด้วยปริศนาและประโยชน์ ทั้งในทางวิทยาศาสตร์เองและในทางเทคโนโลยี เพราะสามารถใช้แทนเครื่องเร่งอนุภาคได้ และใช้ทดสอบสมบัติความเป็นสสาร quantum ที่มีคุณลักษณะแปลก ประหลาด และคาดไม่ถึง ดังนั้นการศึกษาขั้นต่อไป คือ การศึกษาสมบัติของระบบหนึ่งหรือสองมิติที่สะอาดบริสุทธิ์ ในช่วงอุณหภูมิต่างๆ และใน lattice ที่มีรูปร่างต่างๆ เช่น ใน kagome lattice เป็นต้น
อ่านเพิ่มเติม
1. Pike, Jared (2023). "Is graphene the best heat conductor ever? Purdue researchers investigate with four-phonon scattering". Purdue University Mechanical Engineering News. Archived from the original on 4 March 2024. Retrieved 1 October 2024.
2. Xin, Na; Lourembam, James; Kumaravadivel, Piranavan (April 2023). "Giant magnetoresistance of Dirac plasma in high-mobility graphene". Nature. 616 (7956): 270–274. arXiv:2302.06863. Bibcode:2023Natur.616..270X. doi:10.1038/s41586-023-05807-0. PMC 10097601. PMID 37045919.
3. Fabian Garmroudi et al, Topological Flat-Band-Driven Metallic Thermoelectricity, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/PhysRevX.15.021054
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์
ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ,นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน,ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
