20 ปีแห่งการค้นพบ กราฟีน วัสดุมหัศจรรย์ปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์ไปอย่างไรบ้าง

ในเดือน ต.ค. ของสองทศวรรษก่อน อันเดร เกม และ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ นักฟิสิกส์สองคนจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์แห่งสหราชอาณาจักร ได้ตีพิมพ์บทความวิจัยที่สั่นสะเทือนแวดวงวิชาการในหัวข้อ “ปรากฏการณ์สนามไฟฟ้าในแผ่นฟิล์มคาร์บอนที่บางเพียง 1 อะตอม”
บทความนี้บรรยายถึงคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่น่าอัศจรรย์ของ “กราฟีน” (Graphene) คาร์บอนในรูปแบบของผลึกคริสตัล ที่มีความหนาเท่ากับชั้นเดียวของโมเลกุลแกรไฟต์ (Graphite) หรือแร่ดินสอดำ ซึ่งความบางเฉียบระดับนี้มาจากการเกาะตัวในแนวนอนของอะตอมคาร์บอน 1 ชั้นเท่านั้น
สตีเฟน ลิธ ศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมเคมีและกระบวนการผลิต จากมหาวิทยาลัยสตราธไคลด์ของสหราชอาณาจักร ได้อธิบายถึงความเป็นมาและเป็นไปของกราฟีนไว้ในบทความของเขา ซึ่งเผยแพร่ครั้งแรกทางเว็บไซต์เดอะคอนเวอร์เซชัน theconversation.com เมื่อวันที่ 23 ก.ย. ไว้ดังต่อไปนี้
ศ.ลิธ เล่าว่าในตอนที่มีการค้นพบกราฟีน เขาเพิ่งเริ่มเข้าศึกษาต่อในระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยเซอร์รีย์ของอังกฤษ โดยห้องปฏิบัติการที่เขาสังกัดอยู่มีความเชี่ยวชาญเรื่องคุณสมบัติทางไฟฟ้าของคาร์บอนเป็นพิเศษ โดยท่อคาร์บอนขนาดจิ๋วหรือคาร์บอนนาโนทิวบ์กำลังเป็นหัวข้อยอดนิยมในการวิจัยของวงการ ซึ่งเขาได้ตัดสินใจศึกษาเรื่องนี้ด้วยเช่นกัน แต่ในวันหนึ่งอาจารย์ที่ปรึกษาได้พาเขาและเพื่อน ๆ เดินทางไปที่กรุงลอนดอน เพื่อเข้าฟังการบรรยายของนักสื่อสารวิทยาศาสตร์คนดังจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ซึ่งเขาผู้นั้นก็คืออันเดร เกม นั่นเอง
การบรรยายของเกมไม่ทำให้พวกเขาผิดหวัง เพราะมันได้มอบแรงบันดาลใจมากมายให้กับบรรดานักศึกษาปริญญาเอกหน้าใหม่ โดยเกมได้เล่าถึงการทดลองที่ล้มเหลวในช่วงบ่ายวันศุกร์ ผสมปนเปไปกับเรื่องเหลือเชื่ออย่างการทำให้กบลอยตัวขึ้น ก่อนจะมาถึงเรื่องของคาร์บอนที่หนาเพียงอะตอมเดียว ซึ่งในตอนแรกพวกเขาพากันตั้งข้อสงสัย ด้วยความที่ไม่ค่อยจะเชื่อถือนักว่าวัสดุที่ได้มาง่าย ๆ จากการใช้เทปกาวแปะไส้ตะกั่วดินสอ จะมีคุณสมบัติเลิศเลออย่างที่อวดอ้าง แต่ต่อมาพวกเขาก็พบว่าตัวเองคิดผิดถนัดเลยทีเดียว ในไม่ช้าผลงานการค้นพบของเกมและเพื่อนร่วมทีม ถูกนำไปทำซ้ำโดยนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก จนมีการพัฒนาวิธีใหม่ในการผลิตวัสดุมหัศจรรย์นี้ขึ้น คำอวดอ้างคุณสมบัติที่แสนจะเหลือเชื่อของมัน ทำให้ฟังดูราวกับว่ากราฟีนเป็นวัสดุในนิยายวิทยาศาสตร์ หรือเป็นของที่หลุดออกมาจากการ์ตูนมาร์เวลของสแตน ลี ก็ไม่ปาน เพราะมันแข็งแกร่งยิ่งกว่าเหล็กกล้า แต่กลับมีความยืดหยุ่นสูง มีความลื่นจนอะไรก็เกาะไม่ติด แต่ก๊าซหลายชนิดไม่สามารถแทรกซึมผ่านไปได้ แถมยังเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีกว่าทองแดงและนำความร้อนได้ดีกว่าเพชร ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตา ทั้งยังแสดงคุณสมบัติทางควอนตัมที่น่าอัศจรรย์อีกหลายประการ  กราฟีนนั้นได้รับการยกย่องว่าเป็นวัสดุที่ปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์มาโดยตลอด เนื่องจากเป็นความหวังว่าจะนำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความเร็วยิ่งยวด รวมทั้งซูเปอร์คอมพิวเตอร์ และวัสดุแห่งอนาคตที่ทนทานแข็งแกร่งในระดับสูง นักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มถึงกับอ้างว่า สามารถจะนำกราฟีนไปสร้างลิฟต์ขนาดยักษ์เพื่อขึ้นสู่ห้วงอวกาศ (space elevator) ผลิตใบเรือสุริยะ (solar sail) ที่ใช้แสงอาทิตย์ช่วยขับเคลื่อนยานอวกาศ รวมทั้งผลิตจอประสาทตาเทียมหรือแม้กระทั่งผ้าคลุมล่องหนได้ด้วย
เพียงหกปีหลังการค้นพบกราฟีน เกมและโนโวเซลอฟก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ซึ่งก็ยิ่งทำให้คนทั่วโลกตื่นเต้นและให้ความสนใจกับวัสดุมหัศจรรย์นี้มากขึ้น นับแต่นั้นเป็นต้นมา มีการตีพิมพ์รายงานการทดลองรวมทั้งบทความวิจัยว่าด้วยกราฟีนและวัสดุที่เกี่ยวข้องไปแล้วหลายแสนชิ้น
อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่นักวิทยาศาสตร์ทุกคนจะคล้อยตามกระแสความคลั่งไคล้ในเรื่องกราฟีน เพราะเมื่อลองกวาดตาสำรวจความคิดเห็นที่มีต่อบทความยอดนิยมเหล่านี้ คุณจะพบผู้ตั้งข้อสงสัยในทำนองที่ไม่เห็นด้วยกับบทความเสมอ ซึ่งท่าทีเหล่านี้ก็ไม่ใช่อคติที่เกินจริง เพราะปัจจุบันเราได้ตั้งตารอที่จะเห็นการประยุกต์ใช้กราฟีนในชีวิตประจำวันมาแล้วหลายสิบปี แต่ดูเหมือนว่ามันเป็นเพียงคำสัญญาที่ว่างเปล่าลม ๆ แล้ง ๆ โดยมีคนจำนวนมากตั้งคำถามว่า วัสดุตัวเปลี่ยนเกมที่จะมาเสริมสร้างความรุ่งเรืองเฟื่องฟูให้ชีวิตมนุษย์ หรือสิ่งที่จะช่วยโลกจากการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศนั้น ขณะนี้มันอยู่ที่ไหนกันแน่
แท้จริงแล้วกราฟีนคือความสำเร็จอันใหญ่หลวง หรือเป็นเพียงดอกไม้ไฟชื้นที่จุดไม่ติด ? คำตอบของเรื่องนี้ก็คล้ายกับคำเฉลยไขข้อถกเถียงในประเด็นอื่น ๆ ซึ่งก็คือไม่ใช่ทั้งสองอย่าง แต่เป็นบางสิ่งที่อยู่ตรงกลางระหว่างความสำเร็จและความล้มเหลว

ขาขึ้นและขาลงของกราฟีน
ในมุมมองของสาธารณชนแล้ว ถ้าพูดกันตามจริงก็ต้องบอกว่า กราฟีนได้รับการยกย่องสรรเสริญจนเกินระดับมาตรฐานที่ควรจะเป็นไปมาก สื่อมวลชนที่ได้รับความนิยมอาจสร้างข่าวที่เกินจริง เพื่อเพิ่มยอดการคลิกชื่นชอบหรือคลิกแชร์ได้ แต่ก็ใช่ว่านักวิชาการอย่างผู้เขียนจะรอดพ้นจากการตั้งความหวัง หรือพฤติกรรมคาดหมายกับโครงการวิจัยแสนรักสูงเกินไปได้ เรื่องนี้อาจเป็นประโยชน์ต่อการเร่งผลักดันให้เทคโนโลยีใหม่มีการพัฒนา แต่ก็มีข้อเสียเรื่องสร้างความผิดหวัง หากโครงการนั้นปราศจากความก้าวหน้าตามที่วาดฝันไว้ อันที่จริงแล้วบรรดาเทคโนโลยีเปลี่ยนโลกทั้งหลาย ไม่ว่าจะเป็นรถยนต์ โทรทัศน์ หรือพลาสติก ต่างก็ใช้เวลาในการพัฒนานานหลายสิบปี กราฟีนนั้นถือว่ายังเป็นเพียงผู้มาใหม่สำหรับวงการนี้ และปัจจุบันยังคงเร็วเกินไปที่จะด่วนสรุปว่า กราฟีนจะมีอิทธิพลหรือส่งผลกระทบต่อโลกเราอย่างไรบ้าง
สิ่งที่เกิดขึ้นแล้วในปัจจุบันก็คือ มีการประยุกต์ใช้กราฟีนอย่างเงียบ ๆ โดยไม่ตกเป็นข่าว ในการปฏิบัติงานหลากหลายด้าน ซึ่งส่วนใหญ่แล้วเป็นผลงานของโครงการความริเริ่มด้านการวิจัย Graphene Flagship ในภูมิภาคยุโรป ที่มีมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีชาลเมอร์สของสวีเดนเป็นผู้ประสานงาน โครงการนี้มีวัตถุประสงค์ในการนำงานวิจัยวิชาการเกี่ยวกับกราฟีนและวัสดุที่เกี่ยวข้อง มาพัฒนาให้สามารถประยุกต์ใช้เชิงพาณิชย์ในโลกแห่งความเป็นจริงได้ ซึ่งทุกวันนี้มีกลุ่มผลิตภัณฑ์จากกราฟีนที่ถูกพัฒนาขึ้นแล้วกว่า 90 ชิ้น ตลอดช่วงหนึ่งทศวรรษที่ผ่านมา
ผลิตภัณฑ์ที่เป็นนวัตกรรมเหล่านี้ รวมถึงพลาสติกผสมสำหรับอุปกรณ์กีฬาสมรรถนะสูง, ยางล้อรถจักรยานที่มีความทนทานสูงสำหรับใช้ในการแข่งขัน, หมวกนิรภัยของผู้ขับขี่รถจักรยานยนต์ที่สามารถกระจายแรงกระแทกออกไปได้ดีกว่าเดิม, สีเคลือบที่เป็นสื่อนำความร้อนสำหรับอะไหล่รถจักรยานยนต์, รวมทั้งสารหล่อลื่นที่ช่วยลดแรงเสียดทานและการสึกหรอของชิ้นส่วนเครื่องจักรกล ตอนนี้กำลังมีความพยายามพัฒนากราฟีน เพื่อนำไปใช้ในการผลิตแบตเตอรีและตัวเก็บประจุยิ่งยวด (supercapacitor) ซึ่งจะทำให้อุปกรณ์เหล่านี้ชาร์จไฟได้เร็วขึ้นและมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ปัจจุบันยังมีการใช้งานหมึกกราฟีนที่เป็นสื่อนำไฟฟ้าในการผลิตเซนเซอร์, แท็กหรืออุปกรณ์ติดตามไร้สาย, สารให้ความร้อน, และเกราะแม่เหล็กไฟฟ้าที่ช่วยปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เปราะบาง นอกจากนี้ยังมีการใช้กราฟีนกับหูฟังเพื่อเพิ่มคุณภาพเสียง และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนภายในเครื่องปรับอากาศด้วย
ผลิตภัณฑ์จากกราฟีนออกไซด์ยังถูกนำไปใช้เพื่อบำบัดน้ำเสียและขจัดความเค็มของน้ำ รวมทั้งใช้ในกระบวนการผลิตน้ำดื่มที่สะอาดบริสุทธิ์ ส่วนวัสดุจำพวกกราฟีนหลากหลายรูปแบบก็มีวางจำหน่ายทั่วไปแล้ว สำหรับนำไปใช้กับผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ที่มีมากมายนับไม่ถ้วน ด้านบริษัทยักษ์ใหญ่อย่างสเปซเอ็กซ์, เทสลา, พานาโซนิก, ซัมซุง, โซนี, และแอปเปิล ต่างก็มีทั้งข่าวลือและข่าวที่เป็นทางการออกมาให้ได้ยินกันว่า กำลังใช้กราฟีนพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ล่าสุดของตนเองอยู่ 

จากความหวังที่เพ้อฝันสู่การใช้งานจริง
ผลสะเทือนที่กราฟีนมีต่อวงการวัสดุศาสตร์นั้นไม่อาจปฏิเสธได้ แม้อิทธิพลที่มีต่อผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคจะสามารถจับต้องได้ แต่ก็ใช่ว่าจะมองเห็นกันได้โดยง่าย เพราะเมื่อวัสดุกราฟีนถูกฝังหรือใส่ลงในผลิตภัณฑ์สำหรับใช้งานแล้ว ก็ไม่มีความจำเป็นจะต้องคอยติดตามเฝ้าดูมันอีกต่อไป และปัญหาเรื่องกรรมสิทธิ์ก็อาจทำให้บริษัทต่าง ๆ ไม่ต้องการจะเอ่ยถึงส่วนประกอบของผลิตภัณฑ์ในรายละเอียด ทำให้เหล่าผู้บริโภคไม่ทราบเลยว่า ในรถยนต์ โทรศัพท์มือถือ หรือไม้ตีกอล์ฟของพวกเขามีกราฟีนอยู่ คนส่วนใหญ่เองก็ไม่สนใจในเรื่องนี้ ตราบใดที่สินค้าที่ซื้อมายังใช้งานได้ดีอยู่ ในขณะที่วิธีการผลิตถูกพัฒนาให้ดีขึ้นและต้นทุนปรับลดลง เราสามารถคาดหวังได้ว่าจะมีการประยุกต์ใช้งานกราฟีนมากขึ้นไปอีกในวงกว้าง การผลิตปริมาณมากในระดับอุตสาหกรรมจะยิ่งทำให้ของเหล่านี้ราคาถูกและเข้าถึงได้ง่าย ทั้งมีแนวโน้มว่าการประยุกต์ใช้งานในด้านต่าง ๆ จะยิ่งขยายตัวเพิ่มขึ้นไปด้วย
ผู้เขียนกล่าวสรุปทิ้งท้ายว่า ส่วนตัวแล้วเขายังคงรู้สึกตื่นเต้นเมื่อได้ทดลองใช้กราฟีนกับสิ่งใหม่ ๆ ในห้องปฏิบัติการของตัวเอง แม้การค้นพบกราฟีนจะผ่านมาเนิ่นนานถึงสองทศวรรษแล้วก็ตาม และแม้เขาจะรู้สึกผิดที่เคยเป็นส่วนหนึ่งของกระแสเห่อกราฟีนในยุคเริ่มแรก แต่เขายังคงมีทัศนคติที่ดีต่อศักยภาพของวัสดุชนิดนี้ และยังคงเฝ้ารอคอยที่จะได้ขึ้นลิฟต์อวกาศที่สร้างจากกราฟีนอยู่ เพียงแต่ในตอนนี้เขาขอยึดมั่นในข้อเท็จจริงพื้นฐานที่ว่า กราฟีนได้ช่วยสร้างอนาคตที่ดีกว่าให้กับมนุษย์แล้วอย่างเงียบ ๆ และนับจากนี้จะยังคงสร้างประโยชน์ใหม่ ๆ อย่างต่อเนื่องและสม่ำเสมอ