นิตยสาร สสวท. ฉบับที่ 194 พฤษภาคม - มิถุนายน 2558

52 / 62

นิตยสาร สสวท.
52 52
แม้กราฟีนจะเป็นวัสดุที่บางที่สุดแต่ก็มีความแข็งแรงที่สุด
เพราะได้มีการพบว่า ถ้าน� ำกราฟีนพื้นที่หนึ่งตารางเมตรมาท�ำ
เปลญวณ แม้น�้ำหนักของเปลจะเบากว่าน�้ำหนักของหนวดแมว
แต่เปลก็สามารถรับน�้ำหนักของแมวทั้งตัวได้โดยไม่ขาด
ส�ำหรับสมบัติการน�ำไฟฟ้าของกราฟีนนั้นก็ดีกว่าทองแดง
และน�ำความร้อนก็ได้ดีกว่าเงินกับทองแดง ในด้านแสง แม้
กราฟีนจะโปร่งใสถึงระดับ 97% แต่มันก็ไม่ยอมให้อะตอมของ
แก๊สหรือของเหลวทะลุผ่านได้
Andrey Konstantin Geim เกิดเมื่อวันที่ 21 ตุลาคม ค.ศ.
1958 ที่เมือง Sochi ในรัสเซีย (ปัจจุบันถือสัญชาติอังกฤษ-
เนเธอร์แลนด์) บิดาเป็นวิศวกรเชื้อชาติเยอรมัน ส่วนยายเป็น
คนยิว ด้วยเหตุที่สกุลระบุชัดว่ามีเชื้อชาติยิว ดังนั้น Geim จึงถูก
สังคมรัสเซียต่อต้านตั้งแต่ยังเป็นเด็ก Geim มีน้องชายคนหนึ่ง
เมื่ออายุ 7 ขวบ ครอบครัวได้อพยพไปที่เมือง Nalchik เพื่อให้
Geim ได้ เรียนในโรงเรียนที่มีการสอนเป็นภาษาอังกฤษ
เมื่อเรียนจบ Geim คิดจะไปศึกษาต่อที่สถาบัน Moscow
Engineering Physics แต่สอบเข้าไม่ได้ถึง 2 ครั้ง จึงไปเรียนต่อ
ที่ Moscow Institute of Physics and Technology แทน ใน
ปี ค.ศ. 1982 Geim วัย 24 ปี เรียนจบปริญญาโท อีก 5 ปีต่อมา
เรียนจบปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์ของโลหะจาก Institute of
Solid State Physics แห่ง Russian Academy of Sciences
ที่ Chernogolovka Geim เล่าว่า ในช่วงที่จะท�ำวิทยานิพนธ์
รู้ จักแกรไฟต์ มานานหลายพันปี แล้ ว
จากการใช้แกรไฟต์ท�ำไส้ดินสอ เพราะแกรไฟต์ประกอบด้วย
ระนาบของอะตอมคาร์บอนที่เรียงกันหลายระนาบ โดยระนาบ
เหล่านี้มีแรงยึดเหนี่ยวที่ไม่มาก ดังนั้น แกรไฟต์จึงใช้ท�ำ
ไส้ ดินสอส� ำหรับเขียนหนังสือ เพราะ เวลาลากดินสอ
ไปบนกระดาษ อะตอมของคาร์บอนจะหลุดออกจากไส้ดินสอ
ไปติดบนกระดาษเป็นเส้นดินสอ ซึ่งถ้าใช้กล้องจุลทรรศน์ส่องดู
ที่เส้น เราก็จะเห็นอะตอมคาร์บอนเรียงซ้อนกันหลายชั้น แต่ใน
สมัยนั้นไม่มีใครสามารถแยกชั้นอะตอมของคาร์บอนออกมา
เป็นชั้นเดียวได้ หลายคนจึงมีความเห็นว่า การแยกชั้นอะตอม
ของสสารออกมาเหลือเพียงชั้นเดียวเป็นเรื่องที่ท�ำไม่ได้ ดังนั้น
เมื่อ Geim และ Novoselov ประกาศการพบกราฟีน
ซึ่งประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนเพียงชั้นเดียว โดยการน�ำ
เทปใสทาบบนเส้นดินสอ แล้วลอกเทปออก เขาได้อัญรูปอีก
หนึ่งแบบของคาร์บอนที่แม้แต่เด็กอนุบาลก็สามารถ “สร้าง”
กราฟีนได้ เนื่องจากวิธีการง่ายมาก วัสดุรูปแบบใหม่ใน 2 มิติ
นี้มีแต่ความกว้างกับความยาวเท่านั้น สมบัตินี้ท�ำให้อิเล็กตรอน
ในกราฟีน มีสมบัติที่แตกต่างจากอิเล็กตรอนในวัสดุอื่น ๆ ท�ำให้
น�ำไปใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และอุตสาหกรรมความร้อน ฯลฯ
ได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง
มนุษย์ แม้อิเล็กตรอนในกราฟีนจะเคลื่อนที่ในระนาบได้ดี แต่กราฟีน
ก็ไม่ได้เป็นวัสดุ 2 มิติ 100% เพราะในระบบ 2 มิติพลังงานของ
อิเล็กตรอนจะเป็นปฏิภาคตรงกับโมเมนตัมยกก�ำลังสอง ดังนั้น
ความสัมพันธ์การกระจาย (dispersion relation) ของกราฟีน
จึงเป็นเชิงเส้น และสมการที่ใช้บรรยายการเคลื่อนที่ของ
อิเล็กตรอนในกราฟีนคือสมการ Dirac (มิใช่สมการ Schroed-
inger) ที่ใช้อธิบายฟิสิกส์ของอนุภาคที่มี spin1/2 ผลการวิจัยยัง
แสดงให้เห็นอีกว่า มวลยังผล (effevtive mass) ของอิเล็กตรอน
ที่พลังงานเฟอร์มิในกราฟีนมีค่าเป็นศูนย์ และอิเล็กตรอนมี
ความเร็วประมาณ 10 เมตร/วินาที ซึ่งคิดเป็น 1/300 ของ
ความเร็วแสงในสุญญากาศ การมีความเร็วสูงเช่นนี้ ท� ำให้
นักฟิสิกส์สามารถใช้กราฟีนทดสอบทฤษฎี quantum electro-
dynamics ได้ในห้องทดลองขนาดเล็ก โดยไม่ต้องใช้เครื่องเร่ง
อนุภาคพลังงานสูงทดสอบ
ด้านนักฟิสิกส์ทฤษฎีพบว่า สมบัติของแกรไฟต์ขึ้นกับ
ธรรมชาติของพันธะ covalent ระหว่าง valence electron
ทั้ง 4 ของอะตอมคาร์บอน และในเพชรโอกาสการพบอิเล็กตรอน
จะมีค่ามากที่สุดในบริเวณระหว่างอะตอมคาร์บอน แต่กราฟีน
ซึ่งมี valence electron เพียง 3 อิเล็กตรอนในพันธะ covalent
กับอะตอมคาร์บอน 3 อะตอมที่อยู่ใกล้เคียง สถานะของ
อิเล็กตรอนในระนาบหกเหลี่ยมจึงเป็นแบบ -orbital และที่ตั้ง
ฉากกับระนาบเป็นแบบ -orbital สมบัติทางกายภาพของ
กราฟีน จึงขึ้นกับอิเล็กตรอน -orbital ในบริเวณใกล้พลังงาน
เฟอร์มิ (Fermi energy)
∏
∏
σ
6