วัสดุนาโนคาร์บอน กราฟีน เพื่อความยั่งยืนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

แพลตฟอร์มเทคโนโลยีวัสดุขั้นสูง (Advanced Materials Platform) สามารถใช้เทคโนโลยีขั้นสูง เช่น กระบวนการ Carbonization กระบวนการเร่งปฏิกิริยา กระบวนการหมักบ่ม (Fermentation) หรือการย่อยสลายด้วยเอ็นไซม์ (Enzyme) เป็นต้น ในการเปลี่ยนวัสดุชีวภาพเหล่านี้ให้กลายเป็น วัสดุนาโนคาร์บอน (Nanocarbon-based Materials) และวัสดุพอลิเมอร์ขั้นสูง เพื่อให้ทรัพยากรชีวภาพ (Bioresource) ซึ่งเกิดจากธรรมชาติ เช่น ปิโตรเลียม ก๊าซธรรมชาติ และขยะที่เหลือทิ้งจากภาคการเกษตร เช่น เปลือกข้าว กากกาแฟ กะลามะพร้าว ใยสับปะรด ฯลฯ ถูกนำกลับมาใช้ให้เกิดประโยชน์ และเพิ่มมูลค่า (Up-Cycling) เพื่อความยั่งยืนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ได้หลากหลาย ได้แก่ กราฟีน (Graphene)

กราฟีน เป็นวัสดุที่มีโครงสร้าง 2 มิติ (2D Materials) ชนิดแรกของโลก มีลักษณะเป็นแผ่น มีโครงสร้างเหมือนตาข่ายรูปหกเหลี่ยมคล้ายรังผึ้ง โดยมีความหนาเท่ากับความหนาของคาร์บอนเพียงอะตอมเดียว หรือประมาณ 0.34 นาโนเมตร กราฟีนมีคุณสมบัติที่น่าทึ่งหลายอย่าง เช่น เป็นวัสดุที่แข็งแรงกว่าเหล็กกล้าหลายร้อยเท่า แข็งแกร่งกว่าแม้กระทั่งเพชร สามารถยืดหยุ่นได้ถึงร้อยละ 20 สามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดงหลายเท่า และยังใสโปร่งแสง นอกจากนี้อิเล็กตรอนที่อยู่บนโครงสร้างของแผ่นกราฟีน สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่ากับแสง ดังนั้นกราฟีนจึงถูกนำมาประยุกต์ใช้กับงานหลายด้าน โดยเฉพาะทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ อาทิเช่น ทรานซิสเตอร์ (Transistor) อุปกรณ์บันทึกความจำ (Memory Device) เซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Cell) และ เซ็นเซอร์ทางเคมีไฟฟ้า (Electrochemical Sensors) เป็นต้น กราฟีนสามารถสร้างได้หลากหลายวิธี ตั้งแต่การลอกกราไฟต์ด้วยเทป จนถึงเทคนิคการเคลือบด้วยไอระเหย และการลอกกราไฟต์ด้วยปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ซึ่งเป็นวิธีที่นักวิจัยไทยประสบความสำเร็จในการผลิตกราฟีนคุณภาพสูงในเชิงพาณิชย์ ในอนาคตกราฟีนยังมีความเป็นไปได้ที่จะผลิตจากแหล่งคาร์บอนอื่นๆ นอกเหนือจากกราไฟต์ ได้แก่ วัสดุชีวภาพเหลือทิ้งจากการเกษตร และแม้กระทั้งจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ

ปัจจุบันได้มีการนำกราฟีนมาผสมกับพอลิเมอร์ เพื่อสร้างเป็นวัสดุคอมพอสิต (Graphene Composite) สามารถเพิ่มคุณสมบัติในหลายด้าน โดยเฉพาะในด้านทางกล และการเพิ่มความสามารถทางด้านการนำไฟฟ้า โดยพบว่าการนำกราฟีนมาผสมกับพอลิเมอร์ที่มีความสามารถในการนำไฟฟ้าอย่าง พอลิอะนิลีน และพอลิเอทิลไดออกซีไทโอฟีน สามารถเพิ่มคุณสมบัติในเรื่อง การนำไฟฟ้า (Conductivity) และความยืดหยุ่น (Flexibility) โดยที่ยังคงความใส (Transparency) อีกทั้งยังมีความเสถียร (Stability) ที่อุณหภูมิสูง

โดยมีผลิตภัณฑ์หลายอย่างที่มีวัสดุกราฟีนที่มีขายในท้องตลาดแล้ว เช่น ไม้เทนนิส ไม้กอล์ฟ จักรยาน รองเท้า เสื้อแจ็กเก็ต แบตเตอรี่ เป็นต้น และถูกนำไปใช้ในหลายอุตสาหกรรม ได้แก่ กราฟีนคอมพอสิตในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ กราฟีนแบตเตอรี่ในอุตสาหกรรมยานยนต์ กราฟีนเซ็นเซอร์ในอุตสาหกรรมการแพทย์ กราฟีนทรานซิสเตอร์ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ เป็นต้น

ขนาดมูลค่าทางการตลาดของกราฟีนทั่วโลกคาดการณ์ว่าจะสูงกว่า 550 ล้านดอลลาร์หรือประมาณ 17,000 ล้านบาท ในปี ค.ศ. 2025 และมีอัตราการเติบโตร้อยละ 38 ต่อปี

งานวิจัยที่โดดเด่นทางด้านกราฟีนในประเทศไทย อาทิ การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีด้านวัสดุกราฟีนร่วมกับเทคโนโลยี การพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ (Printed Electronics) โดย สวทช. โดยการสร้างเป็นหมึกพิมพ์นำไฟฟ้าโปร่งแสง (Graphene Transparent Conductive Ink) มีบริษัทต่างชาติระดับโลกมาลงทุนสร้างศูนย์วิจัยกราฟีนในประเทศไทย และมีความร่วมมือวิจัยกับศูนย์วิจัยระดับโลกด้านกราฟีนและวัสดุ 2 มิติ ได้แก่ Center for Advanced 2D Materials มหาวิทยาลัยแห่งชาติสิงคโปร์ ประเทศสิงคโปร์ ซึ่งคาดหวังว่ากราฟีนจะมีบทบาทสำคัญในแวดวงอิเล็กทรอนิกส์และพลังงานของประเทศไทยและทั่วโลกในอนาคต และประเทศไทยจะอยู่บนแผนที่เทคโนโลยีกราฟีนของโลกได้อย่างแน่นอน

*บทความโดย ดร.อดิสร เตือนตรานนท์ ศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ สวทช., เมธีวิจัยอาวุโส สกว. /สมาคมวิจัยวัสดุประเทศไทย