ใครจะเชื่อว่าการศึกษาแร่ธรรมดาๆ ที่ใช้ทำไส้ดินสอจะนำไปสู่การค้นพบอันยิ่งใหญ่จนได้รับรางวัลโนเบล แร่ที่ว่านี้คือแกรไฟต์ หรือ กราไฟต์ (graphite) ซึ่งเป็นที่รู้จักและใช้ขีดเชียนกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ จนเป็นที่มาของชื้อ กราไฟต์ (graph = เขียน, graphite = เพื่อเขียน) แม้แต่ในภาษาไทยยังเรียกว่าแร่ดินสอดำ คาร์บอน ธาตุธรรมดาที่ไม่ธรรมดา แร่กราไฟต์เกิดจากธาตุคาร์บอนบริสุทธิเช่นเดียวกับเพชร เพียงแต่มีการจัดเรียงอะตอมที่แตกต่างกัน เพชรเกิดจากอะตอมคาร์บอนเรียงตัวเป็นผลึกทรงแปดหน้า (octahedron) ส่วนโครงสร้างของกราไฟต์มีลักษณะเป็นชั้นๆ แต่ละชั้นเกิดจากอะตอมคาร์บอนเรียงตัวเป็นรูปหกเหลี่ยม (hexagon) ต่อเนื่องกันคล้ายรังผึ้ง การเรียงตัวที่ต่างกันนี้ส่งผลเพชรและกราไฟต์มีคุณสมบัติทางกายภาพแตกต่าง กัน ทั้งความแข็ง ความใส รวมทั้งมูลค่า นอกจากนี้เมื่อปี 2528 มีการค้นพบบัคกี้บอล ซึ่งเป็นคาร์บอนที่มีการจัดเรียงอะตอมอีกรูปแบบหนึ่ง และมีคุณสมบัติแตกต่างไปจากเพชรและกราไฟต์อย่างมาก (อ่านเรื่องบัคกี้บอลเพิ่มเติมได้ที่ วิชาการ.คอม) แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติต่างๆ ของคาร์บอนเปลี่ยนแปลงไปตามการจัดเรียงตัวของอะตอมได้อย่างน่าทึ่ง
บางที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
อาจารย์และศิษย์ชาวรัสเซีย อังเดร ไกม์ (Andre Geim) และคอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (Konstantin Novoselov) ผู้ศึกษาเกี่ยวกับกราไฟต์ งานวิจัยของ 2 ท่านนี้ มีแนวคิดที่แสนจะเรียบง่าย คือ พยายามทำให้กราไฟต์บางลงมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ อย่างที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นว่า โครงสร้างของกราไฟต์มีลักษณะเป็นชั้นๆ ซ้อนกันอยู่ ดังนั้นเป้าหมายของไกม์และโนโวเซลอฟจึงอยู่ที่การทำให้กราไฟต์ "บางลงจนเหลือเพียงชั้นเดียว" หรืออีกความหมายหนึ่งก็คือ "มีความหนาเท่ากับอะตอมเพียงอะตอมเดียว" นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ในขณะนั้นเชื่อว่าการสร้างวัสดุให้มีความหนาเพียง อะตอมเดียวเป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้ เพราะคาดการณ์กันว่าอะตอมจะสั่นในแนวขึ้น-ลง ทำให้โครงสร้างของวัสดุไม่เสถียร จนอาจทำให้อะตอมทั้งหมดระเหยเป็นไอ แต่ในปี 2547 ไกม์และโนโวเซลอฟ ได้พิสูจน์ว่าความเชื่อนี้ผิด หลังจากสามารถสร้างกราไฟต์ที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียวได้สำเร็จ และวัสดุนี้มีความเสถียรอย่างมาก เรียกวัสดุนี้ว่า "กราฟีน (graphene)" การค้นพบนี้ทำให้ไกม์และโนโวเซลอฟได้รางวัลโนเบลปีนี้ (2010) ไปครอง
 อังเดร ไกม์ |
 คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ |
สำหรับกราไฟต์ที่โครงสร้างที่มีลักษณะเป็นชั้น แต่ละชั้นมีเพียงแรงอ่อนๆ จากแรงวันเดอร์วาลส์ยึดเหนี่ยวกันไว้เท่านั้น ซึ่งเป็นสาเหตุว่าเมื่อเราใช้ดินสอขีดเขียนบนกระดาษจะทำให้กราไฟต์ถูกกระ เทาะออกและไปติดอยู่บนกระดาษเป็นตัวหนังสือ ดังนั้นหากใช้แรงกดดินสอน้อยมากๆ อาจจะสามารถทำให้ชั้นกราไฟต์เพียงชั้นเดียวแยกออกจากแท่งกราไฟต์ได้
ก่อนหน้าไกม์และโนโวเซลอฟจะสร้างกราฟีนได้สำเร็จ มีนักวิทยาศาสตร์ท่านอื่นพยายามใช้เทคโนโลยีขั้นสูงในการผ่าลอกชั้นกราไฟต์ แต่ละชั้นออกจากกันเพื่อให้บางที่สุดเช่นกัน โดยนำกราไฟต์ที่บดจนเป็นชิ้นเล็กๆ ไปติดที่ปลายเข็มของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แรงของอะตอม (atomic force microscopy, AFM) แล้วใช้ปลายเข็มนี้ลากไปบนแผ่นซิลิกอน เทียบได้กับการขีดเขียนด้วยดินสอนาโน (nanopencil) เครื่อง AFM ช่วยควบคุมแรงขีดให้น้อยที่สุด เพื่อให้ชั้นคาร์บอนหลุดออกมาเพียงชั้นเดียว แต่น่าเสียดายสิ่งที่ได้มายังไม่ใช่กราฟีน แต่เป็นกราไฟต์ที่เป็นแผ่นบางๆ เท่านั้น ชั้นกราไฟต์ที่ได้มีความหนามากกว่า 10 อะตอม เมื่อวิธีการที่ใช้เทคโนโลยีสูงขนาดนี้ยังทำไม่ได้ ยิ่งเป็นการตอกย้ำความเชื่อว่าวัสดุที่หนาเพียงอะตอมเดียวไม่มีอยู่จริง แต่ไกม์และโนโวเซลอฟเปลี่ยนความเชื่อนี้ด้วยวิธีการที่ง่ายอย่างเหลือเชื่อ
อ่านต่อ >> วิชาการ.คอม
เมื่อค้นพบแบบนี้แล้ว นำไปใช้ประโยชน์อะไรได้มากกว่าเดิมครับ
นำไปใช้ได้มากมายเลยครับ
ด้วยคุณบัติที่เป็นได้ทังตัวนำไฟฟ้า ตัวต้านทาน และสารกึ่งตัวนำ ทำให้มีแนวโน้มสูงมากที่จะเป็นวัสดุที่มาแทนที่ ซิลิกอน ในวงการอิเล็กโทรนิค