หน้าแรก คลังความรู้ 30 ปี สวทช. งานวิจัย 30 ปี สวทช. “กราฟีน” วัสดุแห่งอนาคต
“กราฟีน” วัสดุแห่งอนาคต
9 มิ.ย. 2564
43,709
30 ปี สวทช.
งานวิจัย 30 ปี สวทช.
ผลงานวิจัยเด่น

"กราฟีน" วัสดุแห่งอนาคต

กราฟีน” (Graphene) เป็นวัสดุแห่งอนาคตที่คันพบ เมื่อปี พ.ศ. 2547 โดยสองนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย
 “ศาสตราจารย์ ดร.อังเดร ไกม์”(Andre Geim) และ
“ศาสตราจารย์ ดร.คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ” (Konstantin Novoselov)
จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ สหราชอาณาจักร 6 ปีต่อมาผลงานชิ้นนี้ทำให้ผู้ค้นพบทั้งสองท่าน
ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี พ.ศ. 2553

“กราฟีน ” จัดเป็นวัสดุนำไฟฟ้าและความร้อนได้ดีที่สุดในโลก โดยเป็นวัสดุที่ประกอบด้วยชั้นของคาร์บอนอะตอมที่หนาเพียง 1 ชั้น มีลักษณะเป็นแผ่นที่มีโครงสร้าง 2 มิติ เหมือนตาข่ายรูปหกเหลี่ยมคล้ายรังผึ้งมีความหนาเท่ากับขนาดของคาร์บอนเพียงอะตอมเดียว หรือประมาณ 0.34 นาโนเมตร

จึงทำให้มีคุณสมบัติพิเศษที่แข็งแรงกว่าเหล็กและเพชร นำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดง อีกทั้งยังใสโปร่งแสง และมีความยืดหยุ่นสูง เหมาะกับการนำไปใช้ผสมในพอลิเมอร์ต่าง ๆ ในการนำไฟฟ้า เพื่อไม่ให้มีการขาดตอน และนำไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี

จากความมหัศจรรย์ที่ถูกค้นพบทำให้กราฟีนกลายเป็นวัสดุที่ได้รับความสนใจไปทั่วโลก รวมถึงประเทศไทย ซึ่งสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ได้มองเห็นโอกาสและความสำคัญของวัสดุมหัศจรรย์อย่าง”กราฟีน” มาตั้งแต่ตอนที่มีการค้นพบใหม่ ๆ และได้เริ่มวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เพื่อนำกราฟีนไปประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ 

ในปี พ.ศ. 2553 ทีมวิจัยจากศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ หรือเนคเทค สวทช. ประสบความสำเร็จใน “การสังเคราะห์กราฟีนด้วยเทคนิคเคมีไฟฟ้าลอกเอาแผ่นกราฟีนบริสุทธิ์ออกจากขั้วแกรไฟต์ และผสานเข้าไปในเนื้อพอลิเมอร์นำไฟฟ้าได้ด้วยต้นทุนต่ำเป็นครั้งแรกของโลก

ผลงานนี้ได้รับความสนใจจากภาคเอกชนต่อยอดนำไปผลิตหมึกนำไฟฟ้าจำหน่ายเชิงพาณิชย์หมึกพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สังเคราะห์ขึ้นจากสาร “กราฟีน” นั้นมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ดี สามารถตีพิมพ์ลงบนพื้นผิวได้หลายชนิด เช่นกระดาษ และแผ่นพลาสติก ก่อให้เกิดนวัตกรรมใหม่ ๆ นอกจากจะนำไปทำหมึกพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ หรือ E-ink ที่นำไปใช้ในแผ่นป้ายอาร์เอฟไอดี แทนการใช้โลหะทองแดง ที่มีต้นทุนสูงกว่าแล้วยังสามารถทำเป็นบรรจุภัณฑ์อัจฉริยะ สามารถแสดงข้อมูลหรือภาพเคลื่อนไหวบนหีบห่อ พัฒนาเป็นกระดาษอัจฉริยะที่แสดงข้อมูลหรือภาพเคลื่อนไหวบนแผ่นพลาสติกที่โค้งงอได้

นอกจากนี้ ยังนำไปพัฒนาเป็นสารเปล่งแสงที่ใช้ในจอแสดงผลชนิด “โอแอลอีดี”ซึ่งใช้พลังงานและมีต้นทุนการผลิตต่ำ ทำเป็นฟิล์มสุริยะหรือแผ่นฟิล์มบางที่ทำหน้าที่เหมือนแผงรับพลังงานจากแสงอาทิตย์แล้วเปลี่ยนเป็นไฟฟ้า รวมถึงทำเป็นแบตเตอรี่ชนิดบางและตัวตรวจวัดหรือเซนเซอร์ทางการแพทย์ที่มีราคาถูก

ทั้งนี้เพื่อเป็นศูนย์กลางการผลิตนวัตกรรมจากเทคโนโลยีกราฟีน สวทช.ได้ขยายการดำเนินงานวิจัย จัดตั้งเป็น “ศูนย์นวัตกรรมการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์” หรือโทปิค (Thailand Organic & PrintedElectronics Innovation Center: TOPIC)

โดยโทปิคทำงานแบบเครือข่ายระหว่างภาครัฐกับเอกชน มีห้องปฏิบัติการและบริการทางเทคนิค เพื่อให้บริการแก่ภาคอุตสาหกรรม รวมถึงการให้คำปรึกษาในการใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ด้วยหมึกอิเล็กทรอนิกส์หรือหมึกนำไฟฟ้า และได้เข้าร่วมเป็นสมาชิกของ Organic and Printed Electronics Association หรือOE-A ซึ่งเป็นสมาคมด้านอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์ระดับโลกเพื่อสร้างเครือข่ายกับกลุ่มสมาชิกของ OE -A ที่มีอยู่ทั่วโลก ทำให้ไทยมีฐานข้อมูลและเครือข่ายการพัฒนางานวิจัยที่กว้างมากขึ้น

ซึ่งต่อมา “Haydale Graphene Industries” บริษัทที่เชี่ยวชาญด้านกราฟีนระดับโลกจากประเทศอังกฤษ ได้เลือกจัดตั้งศูนย์วิจัยกราฟีน หรือ Haydale Technologies (Thailand) ขึ้นที่อุทยานวิทยาศาสตร์ประเทศไทย ทำให้นักวิจัยไทยได้ทำงานร่วมกับนักวิจัยชั้นนำจากต่างประเทศ เกิดการแลกเปลี่ยน เรียนรู้และการถ่ายทอดเทคโนโลยีระหว่างกันได้อย่างเป็นรูปธรรม

ปัจจุบันโทปิคอยู่ภายใต้ศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ (NSD) ของสวทช. นอกจากจะมีทีมนักวิจัยกราฟีนและนวัตกรรมการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นกลุ่มแรกในไทยที่สังเคราะห์กราฟีนได้ และถ่ายทอดให้เอกชนผลิตเป็นหมึกนำไฟฟ้าจำหน่ายเชิงพาณิชย์แล้ว ยังมีการนำกราฟีนไปทำเป็นเซนเซอร์แบตเตอรี่ชนิดบาง และกำลังนำกราฟีนไปผสมในพลาสติกชีวภาพเพื่อทำให้เหนียวขึ้น เปราะน้อยลง และนำไฟฟ้าได้

นอกจากนี้ยังมีทีมพัฒนานวัตกรรมการสังเคราะห์กราฟีน กำลังวิจัยเทคโนโลยีการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ในกระบวนการผลิตของโรงงานอุตสาหกรรมให้เป็นวัสดุนาโนคาร์บอนหรือกราฟีนที่มีมูลค่าสูง ซึ่งจะเพิ่มมูลค่าของเหลือทิ้งแล้วยังช่วยลดปัญหามลพิษอีกด้วย

ส่วนด้านเซนเซอร์ ทีมนักวิจัยฯ ได้ผลิตกราฟีนเพื่อประยุกต์ใช้งานด้านความมั่นคงทั้งด้านสังคม อาหาร การแพทย์ และสิ่งแวดล้อม ที่ผ่านมามีการพัฒนาเซนเซอร์ด้วยวัสดุขั้นสูงนาโนกราฟีน โดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สกรีนทำให้ได้เซนเซอร์กราฟีนชนิดพิมพ์ที่มีความไวสูง ต้นทุนต่ำ และมีกำลังผลิตในระดับอุตสาหกรรม ทั้งนี้ สวทช. ร่วมมือกับเครือข่ายต่าง ๆ ในการพัฒนาชุดตรวจ เช่น ชุดตรวจสารเสพติด ชุดตรวจเชื้อก่อโรคในอาหาร เซนเซอร์วัดสารเร่งเนื้อแดงและชุดตรวจเชื้อวัณโรค

สำหรับความมั่นคงด้านพลังงานที่ผ่านมาทีมนักวิจัยฯ ได้พัฒนาอุปกรณ์กักเก็บพลังงานอย่างต่อเนื่อง ทั้งตัวเก็บประจุยิ่งยวด (Supercapacitor) และแบตเตอรี่ลิเทียมซัลเฟอร์ (Lithium-sulfur battery) ซึ่งได้ประยุกต์ใช้เทคโนโลยีด้านวัสดุกราฟีนร่วมกับเทคโนโลยีการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์

ปัจจุบันทีมนักวิจัย สวทช. ร่วมกับจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยพัฒนาต้นแบบแบตเตอรี่สังกะสีไอออน ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ชนิดใหม่ที่มีความปลอดภัยสูง ไม่ระเบิดโดยนำเทคโนโลยีกราฟีนเข้ามาช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ จนสามารถพัฒนาเป็นแบตเตอรี่สังกะสีไอออนที่มีค่าความจุต่อน้ำหนักสูงอยู่ในช่วง 180-200 mAh.g-1และมีค่าความหนาแน่นพลังงานอยู่ในช่วง 180-200 Wh.kg-1 ซึ่งสามารถแข่งขันได้กับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนบางชนิด

สิ่งสำคัญที่เป็นความท้าทายของแบตเตอรี่ชนิดนี้ก็คือ การพัฒนาให้มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน (Cycle abilty) เพื่อให้แข่งขันได้กับแบตเตอรี่ที่มีในท้องตลาดต่อไป

ดาวน์โหลดหนังสือฉบับเต็ม

แชร์หน้านี้:
Thailand Web Stat