เปลี่ยนขยะไร้ค่าให้เป็น “กราฟีน” ราคาแพงด้วยเทคนิคใหม่ที่ทั้งถูกและเร็ว

ยิ่งกว่าเสกก้อนหินเป็นทองคำ! นักวิจัยสามารถเปลี่ยนขยะไร้ค่าและสร้างปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมให้กลายเป็น “กราฟีน” วัสดุมหัศจรรย์ที่มีราคาแสนแพงด้วยเทคนิคใหม่ได้อย่างรวดเร็วและมีต้นทุนต่ำ ความสำเร็จในครั้งนี้อาจสามารถเปลี่ยนโลกในอนาคตได้อย่างมากมาย

กราฟีนเป็นวัสดุชนิดใหม่ที่เพิ่งถูกค้นพบเมื่อปี 2004 แต่คุณสมบัติของมันน่าอัศจรรย์อย่างยิ่ง กราฟีนเป็นอะตอมของคาร์บอนที่เรียงตัวต่อกันเป็นโครงสร้างรูปหกเหลี่ยมคล้ายลวดตาข่ายกรงไก่ที่หนาเพียง 1 อะตอมเท่านั้น มีน้ำหนักเบามากแต่แข็งแรงกว่าเหล็กหลายเท่า นำไฟฟ้าและความร้อนได้ดีกว่าทองแดง สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย เพียงแต่ว่าในปัจจุบันยังมีราคาแพงกว่าทองคำ

ปี 2014 ทีมวิจัยที่มหาวิทยาลัยไรซ์ ประเทศสหรัฐอเมริกานำโดยนักเคมี James Tour พบว่าพวกเขาสามารถสร้างกราฟีนบริสุทธิ์ที่หนาเพียงไม่กี่ชั้นได้โดยการยิงคาร์บอนแบล็กด้วยเลเซอร์ซึ่งให้ความร้อนเกือบ 3,000°C เมื่อไอคาร์บอนเย็นลงมันก็รวมตัวกันเป็นโครงสร้างที่เสถียรที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ซึ่งก็คือกราฟีน แต่วิธีการดังกล่าวยังผลิตกราฟีนได้ในปริมาณที่น้อยมากและใช้พลังงานสูงมาก

เมื่อสองปีที่แล้ว Luong Xuan Duy นักศึกษาคนหนึ่งของ Tour อ่านพบว่ามีทีมวิจัยอื่นได้สร้างอนุภาคนาโนโลหะโดยใช้ไฟฟ้าเป็นตัวทำความร้อนในลักษณะคล้ายกับที่พวกเขาใช้เลเซอร์สร้างกราฟีนจึงเริ่มทำการทดลองวิธีใหม่ หลังจากปรับแต่งอุปกรณ์ให้สร้างเปลวไฟที่มีความร้อนใกล้ 3,000°C พวกเขาก็สามารถสร้างกราฟีนได้สำเร็จ

เมื่ออะตอมของคาร์บอนควบแน่นกลายเป็นกราฟีนพวกมันจะไม่มีเวลาซ้อนกันในรูปแบบปกติเหมือนกับที่ทำในกราไฟท์ ผลที่ได้คือกราฟีนชนิดที่เรียกว่า Turbostratic graphene ที่ชั้นของกราฟีนซ้อนกันแบบยุ่งเหยิงไม่เป็นระเบียบ แต่มันกลับเป็นวัสดุที่ดีมากเพราะเมื่อเติมลงไปในน้ำหรือตัวทำละลายอื่นๆกราฟีนชนิดนี้จะไม่จับกันเป็นก้อนทำให้มันทำปฏิกิริยากับสิ่งที่มันถูกเติมลงไปได้ดี

เมื่อปี 2018 ทีมวิจัยที่มหาวิทยาลัยเอ็กซิเตอร์ ประเทศอังกฤษได้พัฒนาคอนกรีตผสมกราฟีน ผลการทดสอบพบว่ามีกำลังอัดเพิ่มมากขึ้นกว่าเท่าตัว ทีมวิจัยของ Tour ได้ทดลองเติมกราฟีนที่พวกเขาสร้างขึ้นลงในคอนกรีตเพียง 0.05% โดยน้ำหนัก พบว่าคอนกรีตมีกำลังอัดเพิ่มขึ้น 25% และเมื่อเติมกราฟีนลงใน Polydimethylsiloxane หรือน้ำมันซิลิคอนก็พบว่าสามารถเพิ่มความแข็งแรงได้ถึง 250%

flash-graphene-2

เทคนิคใหม่ในการสร้างกราฟีนของทีมวิจัยที่มหาวิทยาลัยไรซ์นี้ไม่เพียงได้กราฟีนชนิดที่นำไปประยุกต์งานได้ดีเท่านั้น การผลิตกราฟีนยังทำได้อย่างรวดเร็วมากโดยที่มีต้นทุนต่ำ อีกทั้งยังได้ปริมาณค่อนข้างมากอีกด้วย ทีมวิจัยบอกว่าพวกเขากำลังขยายขนาดอีกไม่นานจะสามารถผลิตได้หลายกิโลกรัมต่อวัน และที่สำคัญอย่างยิ่งเทคนิคใหม่นี้สามารถนำขยะอาหารและขยะพลาสติกมาเป็นวัตถุดิบในการผลิตกราฟีนได้อีกด้วย

“นี่เป็นเรื่องใหญ่” Tour กล่าว “โลกต้องทิ้งอาหารราว 30 – 40% เนื่องจากมันเหลือและเน่าเสีย ขณะที่ขยะพลาสติกกำลังเป็นปัญหาใหญ่ไปทั่วโลก พวกเราได้พิสูจน์แล้วว่าวัตถุที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ ทั้งขยะอาหาร ขยะพลาสติก รวมถึงยางรถยนต์สามารถเปลี่ยนเป็นกราฟีนได้”

การผลิตกราฟีนด้วยเทคนิคใหม่นี้นอกจากช่วยกำจัดขยะและขยะพลาสติกได้แล้ว มันยังช่วยลดการปล่อยคาร์บอนเข้าสู่บรรยากาศได้อีกด้วย เมื่อใช้กราฟีนผสมคอนกรีตทำให้มันแข็งแรงมากขึ้นก็จะสามารถลดการใช้ปูนซิเมนต์และคอนกรีตลง ดังนั้นมันจะช่วยลดการปล่อยคาร์บอนทั้งในขณะผลิตและขณะขนส่งปูนซิเมนต์และคอนกรีต

“ในอดีตกราฟีนมีราคาแพงเกินไปที่จะนำมาประยุกต์ใช้งานเหล่านี้” Tour กล่าว “เทคนิคใหม่ของเราจะช่วยลดราคากราฟีนลงได้อย่างมาก ในขณะเดียวกันมันยังช่วยพวกเราจัดการกับขยะได้อีกด้วย”

 

ข้อมูลและภาพจาก sciencemag.org, phys.org



Leave a Reply

Your email address will not be published.