หนึ่งในโครงสร้างวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุด และเบาที่สุด ผลงานออกแบบจากนักวิจัย MIT
ทีมนักวิจัยจาก MIT ได้ออกแบบโครงสร้าง ที่นับได้ว่าเป็นรูปแบบหนึ่งของวัสดุ ที่มีความแข็งแรงและมีน้ำหนักเบาที่สุดเท่าที่รู้จักกันในตอนนี้ โดยใช้การบีบอัดเกร็ดของกราฟีนจนเป็นแผ่น ซึ่งโครงสร้างของวัสดุใหม่นี้จะมีหน้าตาคล้ายกับฟองน้ำ ที่มีคุณสมบัติความหนาแน่น เพียง 5% ของเหล็ก แต่มีความแข็งมากกว่าถึง 10 เท่า
ตอนนี้เราทราบกันดีว่าในโครงสร้างแบบ 2 มิติ(เป็นแผ่นแบนๆ) กราฟีนเป็นวัสุดที่มีความแข็งแรงมากที่สุด แต่จนถึงขณะนี้นักวิจัยยังคงพยายามในการสร้างกราฟีนในรูปแบบ 3 มิติ โดยยังคงคุณสมบัติเด่นที่มีในกราฟีน 2 มิตินั้น เป็นเรื่องทียังต้องใช้เวลาอีกมาก
การค้นพบใหม่ครั้งนี้ แสดงให้เห็นถึงแนวทางใหม่ของโครงสร้าง 3 มิติ ที่ให้ความสำคัญกับคุณสมบัติของโครงสร้างรูปทรงเรขาคณิตที่แปลกตาของโครงสร้างมากกว่าคุณสมบัติของตัววัสดุเอง ซึ่งสามารถให้ความแข็งแรงที่เทียบเท่ากัน และมีน้ำหนักเบากว่าได้ ซึ่งโครงสร้างแบบเดียวกันนี้สามารถนำมาใช้กับวัสดุอื่นๆที่หลากหลายได้อีกด้วย
มีคำแนะนำจากนักวิจัยกลุ่มอื่นๆ ถึงความเป็นไปได้ในการใช้โครงสร้างวัสดุแบบน้ำหนักเบา แต่จากการทดลองอันยาวนานในห้องปฏิบัติการก็ยังไม่สามารถหาสิ่งที่ตรงตามที่คาดการณ์ไว้ได้ บางผลการทดลองนั้นแสดงให้เห็นระดับความแข็งแรงที่น้อยกว่าที่คาดการณ์ไว้ค่อนข้างมาก ทีมวิจัยของ MIT จึงตัดสินใจแก้ปัญหาเรื่องนี้โดยการวิเคราะห์สิ่งที่เกิดขึ้นกับวัสดุในระดับโครงสร้างอะตอม ซึ่งพวกเขาสามารถสร้างเครื่องมือคณิตศาสตร์ที่ให้ผลได้ใกล้เคียงกับผลจากการสังเกตการณ์ในห้องทดลองอย่างมาก
โครงสร้างวัสดุแบบ 2 มิติ เรียกง่ายๆว่า “แบน” และแบนในระดับที่มีความหนาเพียง 1 อะตอมเท่านั้น โดยกว้างหรือยาวแค่ไหนก็ได้ ทำให้มีคุณลักษณะพิเศษที่ความแข็งแรงและลักษณะเฉพาะทางไฟฟ้าขึ้น แต่จากความบางแบบพิเศษนี้ทำให้มันไม่สามารถใช้งานได้ หากถูกสร้างเป็นวัสดุแบบ 3 มิติแล้วและไม่สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานอื่นๆต่อไป เช่นชิ้นส่วนยานยนต์ การก่อสร้าง หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ Buehler กล่าวว่า “สิ่งที่พวกเขาทำคือ สร้างความเป็นไปได้จริง ในการเปลี่ยนโครงสร้าง 2 มิติ ไปสู่ชิ้นงาน 3 มิติ”
ทีมวิจัยสามารถบีบอัดเกร็ดกราฟีนชิ้นเล็กๆด้วยความร้อนและความดัน กระบวนการนี้จะทำให้ได้โครงสร้างที่มีความแข็งแรงและความเสถียร มีลักษณะคล้ายกับปะการังและไดอะตอมเมื่อมองผ่านกล้องจุลทรรศน์ รูปทรงเหล่านี้นั้นมีสัดส่วนของพื้นที่ผิวต่อปริมาตร สูงมาก แต่กลับมีความแข็งแรงอย่างน่าทึ่ง Qin กล่าวว่า “เมื่อตอนที่เราสร้างโครงสร้าง 3 มิติ เราต้องการที่จะรู้ข้อจำกัด ต้องการรู้ว่าวัสดุนี้จะแข็งแรงได้มากที่สุดแค่ไหน ที่พวกเขาจะสามารถสร้างมันได้” เพื่อที่จะทำการทดสอบพวกเขาจึงสร้างโมเดล 3 มิติ มาหลากหลายแบบและเข้าสู่กระบวนการทดสอบต่างๆ ในส่วนของการจำลองด้วยโมเดลคำนวณ ซึ่งใช้การจำลองแรงดึงและการบีบอัดนั้น Qin เล่าว่า “มีตัวอย่างหนึ่งที่มีความหนาแน่นเพียง 5% เมื่อเทียบกับเหล็ก แต่มีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กถึง 10 เท่า”
Buehler อธิบายว่า สิ่งที่เกิดขึ้นกับโครงสร้าง 3 มิติของกราฟีน ของพวกเขานั้น มันประกอบด้วยผิวโค้งจำนวนมากภายใต้ลักษณะที่ดูแปลกตา มันเหมือนกับแผ่นกระดาษที่มีความแข็งแรงน้อยมากตามระยะด้านกว้างหรือยาว ดังนั้นมันจึงยับยู่ยี่ได้ง่าย แต่หากเรานำมันมาทำเป็นรูปทรงในบางแบบ เช่นม้วนมันให้เป็นท่อแล้ว เราจะทำให้ความแข็งแรงตามยาวสูงขึ้น และสามารถรองรับน้ำหนักได้มากกว่าเดิม เช่นเดียวกัน การจัดเรียงของโครงสร้างเกร็ดกราฟีนหลังกระบวนการจัดแรงเรียงตามธรรมชาตินั้น ก็สามารถกำหนดโครงสร้างมันให้มีความแข็งแรงมากได้เช่นกัน
การจัดเรียงโครงสร้างใหม่นั้น ทำในห้องปฏิบัติการ ซึ่งใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบหลายวัสดุ ที่มีความละเอียดสูง พวกเขามีการทดสอบคุณสมบัติทางกลในการรับแรงอัดและแรงดึง และการทดสอบโดยใช้แบบจำลองที่พัฒนาตามทฤษฏีของทีมวิจัยเอง ซึ่งผลที่ได้ทั้งจากการทดสอบและผลการจำลองนั้น ตรงกันอย่างแม่นยำ
สิ่งใหม่นี้นอกจากจะได้ความแม่นยำที่มากขึ้นแล้ว พื้นฐานของการสร้างแบบจำลองในระดับอะตอมนั้น ยังได้ฉีกไปจากกฎเกณฑ์เดิมๆที่เคยมีการทำไว้ก่อนหน้านี้ ซึ่งอาจจะทำให้การสร้างโครงสร้างวัสดุกราฟีน ในแบบ 3 มิติ ที่มีน้ำหนักเบานั้นมีความเป็นไปได้ และที่จริงมันอาจจะเบากว่าอากาศได้ด้วยซ้ำไป ทำให้มันสามารถนำมาใช้แทนก๊าซฮีเลี่ยมในลูกโป่งก็เป็นได้ อย่างไรก็ตามในปัจจุบันก็เห็นกันแล้วว่า วัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำขนาดนั้นมักจะไม่แข็งแรงพอที่จะทนความกดดัน และทำให้เกิดการยุบตัวจากความดันโดยรอบในที่สุด
แต่ก็ยังมีลักษณะการใช้งานอื่นๆอีกมากที่สามารถทำได้ สำหรับงานที่ต้องการวัสดุที่มีความแข็งแรงมาก แต่ก็ต้องการน้ำหนักที่น้อยมากเช่นกัน Buehler บอกว่า “คุณสามารถเลือกใช้ได้ทั้งวัสดุที่ทำมาจากกราฟีนจริงๆ หรืออาจจะใช้เพียงแค่รูปทรงโครงสร้างที่เราค้นพบนี้ กับวัสดุอื่นๆ เช่นโพลีเมอร์ หรือโลหะอื่น ก็ได้เช่นกัน” เพื่อให้เกิดความเหมาะสมทั้งในด้านราคา ความแข็งแรง และคุณสมบัติเฉพาะอื่นๆอีก
“คุณสามารถใช้วัสดุอื่นๆแทนมันได้ รูปแบบโครงสร้างนั้นเป็นปัจจัยสำคัญของความแข็งแรงของวัสดุ ซึ่งมันสามารถใช้กับวัสดุอื่นได้อีกด้วย” คำกล่าวของ Buehler
รูปแบบโครงสร้างที่แปลกประหลาดนี้ เป็นรูปแบบโครงสร้างตามธรรมชาติของกราฟีน ที่เกิดภายใต้ความร้อนและความกดดันซึ่งมันดูคล้ายเนิร์ฟบอล ที่มีลักษณะกลมและมีรูมากมาย รูปร่างลักษณะแบบนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ “Gyroids” ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีความซับซ้อนมาก ในระบบการผลิตแบบเดิมอาจจะไม่สามารถผลิตได้ แต่ทีมวิจัยก็ได้ใช้ เครื่องพิมพ์ 3 มิติ สร้างรูปแบบโครงสร้างจำลองที่ขยายมาหลายพันเท่าจากโครงสร้างธรรมชาติของกราฟีน เพื่อใช้ในการทดสอบ
สำหรับการสังเคราะห์จริงนั้น นักวิจัยกล่าวว่า “สิ่งที่เป็นไปได้มากที่สุดคือการใช้อนุภาคโลหะ หรือโพลิเมอร์ เป็นโครงแบบและเคลือบด้วยกระบวนการทางเคมี chemical vapor deposit (CVD – กระบวนการเคลือบทางเคมี) ก่อนที่จะใช้กระบวนการอบด้วยความร้อนและความดัน จากนั้นกระบวนการทางเคมี หรือทางกายภาพนั้นจะสลาย โพลีเมอร์ หรือโลหะ ออกจากกราฟีนที่ถูกขึ้นรูปเป็น 3 มิติแล้ว และยังคงโครงสร้างในแบบ Gyroids อยู่” สำหรับในส่วนนี้นั้นยังคงอยู่ระหว่างการศึกษา เพื่อเตรียมโครงร่างในการประเมิน ลักษณะทางกายภาพที่ได้จากกระบวนการผลิตนี้อยู่
ในรูปแบบโครงสร้างแบบเดียวกันนี้ ยังสามารถถูกนำไปประยุกต์ใช้ในวัสดุ ที่มีโครงสร้างขนาดใหญ่ได้ อย่างเช่นคอนกรีตที่นำไปสร้างสะพาน อาจจะออกแบบให้มีรูปแบบโครงสร้างที่มีรูปพรุน แต่มีสัดส่วนความแข็งแรงเมื่อเทียบกับน้ำหนักที่สูงขึ้น และยังทำให้ได้ลักษณะความเป็นฉนวนที่ดีขึ้น จากรูพรุนเหล่านั้นอีกด้วย
และเพราะรูปร่างที่เต็มไปด้วนรูพรุนเล็กๆมากมายนี้ ก็อาจจะถูกนำไปใช้ในระบบการกรอง เช่น น้ำ หรือสารเคมี โดยปรับรายละเอียดทางคณิตศาสตร์ต่างๆ เพื่อสามารถอำนวยความสะดวกในการพัฒนาให้เหมาะสมกับการใช้งานอื่นๆได้ง่ายขึ้น
สรุป – ถึงแม้ว่างานวิจัยในการสร้างชิ้นงาน 3 มิติจากกราฟีนนั้น อาจจะยังไม่สำเร็จลงได้ในเวลาอันใกล้นี้
แต่การค้นพบโครงสร้างตามธรรมชิตของกราฟีน ที่เป็นแบบ Gyroids นั้น ก็ทำให้การพัฒนาการออกแบบโครงสร้างวัสดุได้ ก้าวหน้าขึ้นไปอีกขั้นหนึ่ง เพราะรูปแบบโครงสร้าง 3 มิติของกราฟีนนั้น ช่วยให้นักออกแบบสามารถออกแบบโครงสร้าง ที่มีน้ำหนักเบาขึ้น และมีความแข็งแรงที่มากขึ้นได้ เนื่องจากโครงสร้างแบบ Gyroids นั้น มีรูปแบบสมการอยู่แล้ว
อ้างอิง
http://news.mit.edu/2017/3-d-graphene-strongest-lightest-materials-0106
https://en.wikipedia.org/wiki/Gyroid
https://3dprint.com/161073/mit-research-new-graphene-material/