โลกยุคใหม่ชื่อ ยุคกราฟีน (ความรู้ทางฟิสิกส์)

โลกผ่านไปแล้วหลายยุค คือ ยุคหิน ยุคสำริด ยุคเหล็ก มาถึงยุคพลาสติกและน้ำมัน ยุคปัจจุบันที่เรียกกันว่ายุคซิลิคอน และกำลังเข้าสู่ยุคใหม่ที่ได้ชื่อว่า ยุคกราฟีน ที่คนทั่วไปอาจไม่คุ้น
แต่นี่คือการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในศตวรรษที่ ๒๑.

กราฟีน (graphene) เป็นวัตถุที่มาจาก ‘กราไฟร์’ คือ คาร์บอนชนิดหนึ่ง ที่เราคุ้นเคยตั้งแต่เด็ก คือ ที่เขามาทำไส้ดินสอให้เราเขียนหนังสือนั่นเอง.

Image # 2. download (1)

คลิก  Image # 3. hd-people-mobile-image-750x352px

ทราบไหมว่า นี่คือสารที่แข็งที่สุดในโลก แข็งกว่าเหล็กกล้า ๒๐๐ เท่า แกร่งกว่าเพชร ๒๐ เท่า เบากว่าอะลูมีเนียม ยืดหยุ่นกว่ายาง เพราะขยายตัวได้ถึงร้อยละ ๒๕.

เป็นสาร ๒ มิติ คือมีแต่ขนาดยาวและกว้าง ไม่มีหนา เพราะเล็กเท่าอะตอม เล็กกว่าเส้นผม ๑ ล้านเท่า จึงเบาและโปร่งใสที่สุดในโลก แสงผ่านได้ร้อยละ ๙๗-๙๘ ใสกว่ากระจกที่แสงผ่านได้ร้อยละ ๘๐-๙๐ เพราะมีขนาดเล็กนี่เอง ปริมาณของกราฟีนเพียง ๖ กรัมสามารถวางเต็มสนามฟุตบอลได้.

กราฟีนมีคุณสมบัติพิเศษอีกมากมาย เช่น เป็นสื่อนำไฟฟ้าได้ดีกว่าซิลิคอน ๑๔๐ เท่า นำความร้อนได้ดีกว่าทองแดง ๑๐ เท่า จึงสามารถนำมาใช้ในแบตเตอรี ในซุเปอร์คอมพิวเตอร์ ใช้กับสมาร์ทโฟนได้ เพราะไม่ร้อน ไม่มีพิษ ไม่ติดไฟ ไม่ระเบิด เป็นสารที่ปลอดภัยที่สุดในโลก.

Image # 4. 803664_0_1527950273

สารชนิดนี้อยู่ในดินสอ คนรู้จักมานาน แต่สามารถสะกัดออกมาและเริ่มนำมาประยุกต์ใช้เมื่อปี ๒๐๐๔ โดยศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์สองท่าน คือ Andre Geim และ Konstantin Kovoselov ซึ่งทำให้ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลเมื่อปี ๒๐๑๐.

เป็นการค้นพบกราฟีนโดยบังเอิญ เมื่อวันหนึ่งเอาสก็อตเทปแปะลงบนกราไฟท์ ดึงออก มันติดเทปออกมา และนำไปสู่การแยกกราฟีน ด้วยที่มีขนาดอะตอม การสะกัดให้มีปริมาณเพื่อนำมาผสมกับวัตถุอื่นจึงเป็นเรื่องที่ยาก ทำให้สารตัวนี้มีราคาแพงที่สุดในโลก ขนาดเล็กกว่า ๑ มิลิกรัม ๑,๐๐๐ เท่าราคาถึง ๓๒,๐๐๐ บาท ตอนนี้เห็นว่าราคาลดลงมาก เพราะสามารถสะกัดและผลิตเป็นมวลใหญ่ได้แล้ว.

ด้วยคุณสมบัติพิเศษมากมาย ‘กราฟีน’ กำลังทำให้เกิดการปฏิวัติอุตสาหกรรม ทำให้ชีวิตของผู้คนในยุคนี้เปลี่ยนไป เพราะเกิดเทคโนโลยีใหม่ขึ้นมาแทนของเก่ามากมายอย่างคาดไม่ถึง.

การก่อสร้างตึกรามบ้านช่องก็จะใช้กราฟีนมาผสม ทำให้เบา แข็งแรง ทนทาน ไม่ต้องใช้เหล็ก ผสมพลาสติกหรือวัสดุอื่นๆ ที่เบากกว่าก็ได้ หรือถ้าผสมเหล็กก็จะได้เหล็กที่ทนทานไม่ขึ้นสนิม ถ้าเป็นเหล็กอย่างเดียว ฉีดพ่นภายนอกก็จะไม่เกิดสนิม เป็นโลกยุคใหม่ที่ไร้สนิม.

ผสมกับซีเมนต์ได้วัสดุที่แข็งแรงทนทานและป้องกันความร้อนจากภายนอกได้ดี ถ้าใช้แอร์ก็ประหยัด ผสมยางสร้างถนนปูยางได้ เหมาะกับเมืองไทยที่มียางพารามาก รถบรรทุกหนัก ถนนพังเร็ว (ปัญหาอย่างเดียวคือ กรมทางหลวงอาจจะได้งบประมาณซ่อมน้อยลง เพราะถนนทนทานไม่มีสึกหรอง่ายถ้าผสมตามสเป็คจริง).

Image # 5. 11

ทำให้ได้วัสดุที่เบาเพื่อสร้างเครื่องบินให้ใหญ่ขึ้น มีพื้นที่กว้างขวางนั่งได้สบาย จุคนได้มากกว่า ใช้พลังงานไฟฟ้าที่บรรจุในแบตเตอรีที่มีขนาดเพียงพอเพื่อใช้กับเครื่องบินได้โดยไม่ต้องใช้น้ำมัน.

วันนี้มีการนำมาใช้ผลิตอุปกรณ์กีฬาแล้วหลายชนิด เช่น แร็กเก็ตเทนนิส แบดมินตัน หมวกกันน็อคที่แข็งแรงที่สุดสำหรับนักบิดและนักแข่งรถ สกี คันเบ็ด สายเบ็ดที่ยื้อปลาได้ทุกขนาด สายเบ็ดไม่ขาดแต่คนอาจถูกปลาดึงตกน้ำก่อน.

รวมไปถึงชุดกีฬาต่างๆ โดยเฉพาะเสื้อผ้ากีฬาที่ทนทาน กันความหนาวความร้อนได้ดีกว่าทุกวัสดุ ทำรองเท้ากีฬาที่แข็งแรงทนทาน นักวิ่งสามารถวัดข้อมูลสุขภาพตัวเองขณะที่วิ่งได้เป็นอย่างดี.

ทำเสื้อผ้าธรรมดาทั่วไปได้ด้วย เพราะกราฟีนมีคุณสมบัติพิเศษแตกต่างจากวัสดุอื่น หดตัวเมื่อร้อน ขยายตัวเมื่อเย็น หน้าหนาวก็จะอุ่น หน้าร้อนก็จะเย็น ป้องกันเชื้อราแบคทีเรียได้ เสื้อผ้าจะเบามาก.

ในวงการแพทย์ กราฟีนจะช่วยพัฒนาเทคโนโลยีการแพทย์ได้เป็นอย่างมาก มีเซนเซอร์ที่สามารถเข้าไปในกระแสเลือดเพื่อตรวจสอบสภาพร่างกายของคน ประเมินความเจ็บป่วยต่างๆ ช่วยการทำแผนที่พันธุกรรมทำให้คาดการณ์การเกิดโรคร้ายแรงต่างๆ อย่างมะเร็ง เบาหวาน อัลไซเมอร์ ระบบประสาท ได้อีกด้วย.

มีการนำมาประยุกต์ในการรักษาโรคตา ประสาทตาเสื่อม พัฒนาอุปกรณ์ด้านทันตกรรม ฟันปลอม และการทำแขน ขา มือเทียม.

ที่สำคัญมาก คือ ช่วยให้มนุษยชาติไม่ให้ขาดน้ำสะอาดเพื่อการบริโภค เพราะสามารถกรองน้ำทะเลเพื่อดื่มได้โดยง่าย ไม่แพงเหมือนที่ทำกันทุกวันนี้ในบางประเทศ และยังสามารถกรองน้ำสกปรกทุกชนิดให้ดื่มได้หมด โดยมีอุปกรณ์เล็กๆ ที่ประกอบด้วยแผ่นกราฟีนบางๆ ก็สามารถกรองน้ำได้ ไม่นานอุตสาหกรรมคงจะนำออกจำหน่าย และคงไม่แพงอย่างเครื่องกรองน้ำทุกวันนี้.

ต่อไปคงไม่มีปัญหาเรื่องน้ำกร่อย น้ำกระด้าง น้ำมีสนิม มีสารตะกั่ว สารพิษใดๆ กรองได้หมด ทุกวันนี้ คน ๑,๐๐๐ ล้าน โดยเฉพาะในประเทศกำลังพัฒนา ไม่มีน้ำเพียงพอเพื่อการบริโภค และทุกปี คน ๕๐๐,๐๐๐ คนตายเพราะโรคที่เกิดจากน้ำที่ปนเปื้อนเชื้อโรคและสารเคมี.

กราฟีนยังมีคุณสมบัติย้อมสีผมได้โดยไม่มีสารเคมี ไม่มีพิษ สระล้างได้ ๓๐ ครั้งไม่หมด ต้านแบคทีเรีย เชื้อโรคเชื้อรา ผมแห้งใน ๑๐ นาที.

กราฟีนจะช่วยแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อม กำจัดพิษจากขยะนิวเคลียร์ ขยะพิษอุตสาหกรรมต่างๆ อย่างถ่านไฟฉาย และสารเคมีในเครื่องมืออุปกรณ์ ซึ่งทุกวันนี้ เป็นปัญหาใหญ่ไม่รู้จะเอาไปทิ้งที่ไหน.

นักวิชาการคาดว่า ผลข้างเคียงจากการกรองน้ำทะเลมาบริโภค จะทำให้ได้ทองคำ ๒๐ ล้านตันในทะเล รวมทั้งลีเทียมและยูเรเนี่ยมอีกมากมายเป็น ‘ของแถม’.

ความแข็งแกร่งของกราฟีนที่มากกว่าเหล็กกล้า ๒๐๐ เท่า ทำให้นำมาผลิตเสื้อเกราะได้เป็นอย่างดี เพราะเบาและแกร่งจนกระสุนใดอาวุธใดไม่สามารถทะลุได้ ลองคิดดูเสื้อเกราะของอัศวินในยุคกลางที่เห็นในหนัง มีลักษณะสานเป็นใยเป็นตาข่าย กราฟีนก็เป็นเช่นนั้น แต่เล็กกว่านั้นหลายล้านเท่าและแข็งแกร่งกว่ามาก.

Image # 6. 750x422_855220_1574266960

ส่วนรถหุ้มเกราะ รถกันกระสุนนั้นวันนี้ทำกันได้อยู่แล้ว แต่กราฟีนจะเพิ่มความแข็งแกร่งขึ้นได้อีก และจะไม่หนักเหมือนในปัจจุบัน.

ที่สำคัญ กราฟีนจะพัฒนาแบตเตอรีให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับโทรศัพท์ รถยนต์ บ้านเรือน อย่างแบตเตอรีมือถือชาร์จเพียง ๑๕ นาทีและสามารถชาร์จได้ถึง ๓,๕๐๐ ครั้ง ทำให้มือถือมีประสิทธิภาพมากขึ้น และเนื่องจากยืดหยุ่นพับงอได้ อาจจะพับโน้ตบุ้ค มือถือใส่กระเป๋าได้ มือถือบางยี่ห้อเริ่มผลิตแบบพับได้เบื้องต้นกันแล้ว ต่อไปอาจพับเหมือนกระดาษหรือผ้าเช็ดหน้าเลยก็เป็นได้.

วันนี้มีรถยนต์ไฟฟ้าใช้แบตเตอรีที่วิ่งได้กว่า ๗๐๐ ก.ม.ต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง และสามารถวิ่งได้ ๑.๖ ล้านก.ม. ชาร์จแบตเต็มใน ๑๒ นาที แล้วต่อไปจะมีแบตเตอรีที่ทำให้รถวิ่งได้มากกว่าวันนี้ ๑๐ เท่า แปลว่าอาจวิ่งได้กว่า ๗,๐๐๐ ก.ม.ต่อการชาร์จไฟหนึ่งครั้ง.

ส่วนแบตเตอรีที่ไม่ต้องชาร์จไฟเลย ที่เรียกกันว่าแควนตัมแบตเตอรีนั้นยังคงเป็นจินตนาการและวิจัยทดลองกันอยู่ ไม่รู้ว่าเมื่อไรจะเป็นจริงได้ เพราะถ้าทำได้ ก็จะเป็นการปฏิวัติวงการพลังงาน เพราะไปเกี่ยวกับการมีระบบไฟฟ้าที่ไม่มีสาย ไม่ต้องชาร์จ ที่เชื่อมโยงกันไปทั้งโลก ใช้ไฟฟรี ไม่รู้ว่าอีกกี่ปีจะสำเร็จ.

Image # 7. images (1)

สังคมในอนาคตที่มีกราฟีนนำจะเป็นสังคมไร้สาย จะเป็น wifi ที่มีควาเร็วสูง ต่อไปไฟฟ้าในห้องจะไม่มีหลอดไฟ เพราะใช้ผสมกราฟรีนเป็นวอลล์เปเปอร์ มีแสงสว่างได้เลย บ้านเรือนก็มีแบตเตอรี่เก็บไฟจากหลังคาที่ทำด้วยแผงโซลาร์ที่ทำด้วยวัสดุผสมกราฟีน
มีประสิทธิภาพมากกว่าปัจจุบันอีกหลายเท่า.

ปัญหากับการไฟฟ้าคงหมดไป ทุกบ้านพึ่งพาตนเองได้ เก็บไฟไว้ใช้เองได้ ลงทุนก็ไม่แพง อยู่ทุ่งนาป่าเขาก็ผลิตไฟฟ้าใช้เองได้.

กราฟีนจะมีความสำคัญมากกับการเดินทางในอวกาศ การเก็บพลังงาน หรือการสร้างลิฟท์ขึ้นไปในอวกาศที่เคยเป็นนวนิยายไซไฟ แต่ในสังคมที่ทำลิฟท์โปร่งใสด้วยกราฟีน อาจทำให้คนขึ้นไปในอวกาศระยะทางเป็นหมื่นเป็นแสนก.ม. น่าจะเป็นฝันที่เป็นจริงในอีกหลายปีข้างหน้าก็ได้ มีคนฝันว่าจะนั่งลิฟท์ไปด้วงจันทร์ได้.

Image # 8. images (2)

วันนี้มีซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ต้องอยู่แต่ในห้องเย็น -๑๔๐ องศาเซลเซียสเพราะเครื่องจะร้อนจากปริมาณข้อมูลและการใช้งาน ขณะที่ถ้าใช้กราฟีนก็จะอยู่ในอุณหภูมิห้องทำงานปกติได้
เพราะคอมฯ ยักษ์จะไม่ร้อนขึ้นเหมือนกับที่มีอยู่ในปัจจุบัน.

มีคำถามว่า ทำไมค้นพบกราฟีนตั้งแต่ปี ๒๐๐๔ นี่ก็ ๑๖ ปีแล้ว ยังไม่มีการประยุกต์ใช้ที่ชัดเจน ก็กลับไปดูการค้นพบพลาสติกเมื่อ ๑๐๐ ปีมาแล้ว และซิลิคอนก็รู้กันมานาน กว่าจะพัฒนาและประยุกต์ใช้เพื่อประโยชน์สาธารณะอย่างที่เราเห็นกันวันนี้ก็ใช้เวลาหลายสิบปี.

หรืออาจเชื่อนายโทนี ซีบา นักวิเคราะห์สังคมชื่อดังที่พยากรณ์อะไรไม่เคยพลาดว่า การเปลี่ยนแปลงในประวัติศาสตร์โลกเริ่มต้นช้าเสมอ แต่ไม่นาน พอตั้งตัวได้ จะพัฒนาไม่ใช่แบบเส้นตรงที่ค่อยๆ สูงขึ้น แต่จะเป็นตัว S ที่เราเห็นระยะหลังๆ นี้ คือ โทรศัพท์มือถือที่พุ่งเร็วจนค่อยๆ อยู่ตัว เพราะมีกันหมดแล้ว.

และที่มาแรงวันนี้ คือรถยนต์ไฟฟ้าที่ไม่กี่ปีก่อน คนในแวดวงพลังงานหลายคนคาดการณ์แบบเส้นตรงว่า คงอีกนานกว่ารถยนต์ไฟฟ้าจะมาจริง น้ำมันยังจำเป็น แต่วันนี้ก็เริ่มเห็นแล้วว่า เกิดอะไรขึ้นกับน้ำมันและรถยนต์ไฟฟ้า.

Image # 9. images (3)

ประชาคมยุโรปให้ทุน ๑,๐๐๐ ล้านยูโร (๓๕,๐๐๐ ล้านบาท) เพื่อทำการวิจัยกราฟีนตั้งแต่ปี ๒๐๑๓-๒๐๒๓ เพื่อ
ปรับเปลี่ยนและพัฒนาในด้านอิเล็กทรอนิกส์ สุขภาพ การก่อสร้าง และพลังงาน อียูไม่เคยส่งเสริมการวิจัยอะไรขนาดนี้ มีเรื่องวัคซีนโควิด-๑๙ ที่เพิ่งให้การสนับสนุนปีนี้มากหน่อย.

Image # 10. images (4)

เรื่องกราฟีนที่เป็นคาร์บอนไส้ดินสอ ที่นำมาประยุกต์ในเรื่องต่างๆ ที่เกี่ยวกับชีวิตของผู้คนแต่คนไม่ค่อยรู้ เพราะเขานำมาผสมกับวัสดุต่างๆ จนเราไม่ค่อยสังเกต เหมือนพลาสติกและซิลิคอน ซึ่งพัฒนามาเป็นร้อยปี จนเข้ามาเกี่ยวข้องกับวิถีชีวิตของเราอย่างใกล้ชิด กลายเป็นเรื่อง ‘ธรรมดา’ แบบไม่รู้ตัว.

เทคโนโลยีทุกอย่างมีข้อดีข้อเสีย มีจุดแข็งจุดอ่อน ถ้าใช้ไม่เหมาะสมก็จะเกิดกับโลกอย่างวันนี้ที่เต็มไปด้วยขยะพลาสติกและซิลิคอนทั้งบนบก ใต้ดิน ในทะเล ถ้าคิดถึงแต่ข้อดี ความสะดวกสบายและผลกำไรทางธุรกิจ โลกในอนาคตก็อาจเจอขยะที่มาจากกราฟีนได้เหมือนกัน.

• เสรี พงศ์พิศ
ทางอีศาน
สิงหาคม 2563