การประยุกต์ใช้กราฟีน

1. ด้วยความก้าวหน้าอย่างค่อยเป็นค่อยไปของการผลิตจำนวนมากและปัญหาขนาดใหญ่ การประยุกต์ใช้กราฟีนทางอุตสาหกรรมจึงเร่งตัวขึ้น จากผลการวิจัยที่มีอยู่ การใช้งานเชิงพาณิชย์ครั้งแรกอาจเป็นอุปกรณ์เคลื่อนที่ การบินและอวกาศ และพลังงานใหม่ สนามแบตเตอรี่ การวิจัยขั้นพื้นฐาน กราฟีนมีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับการวิจัยขั้นพื้นฐานทางฟิสิกส์ ช่วยให้เกิดเอฟเฟกต์ควอนตัมบางอย่างที่สามารถแสดงให้เห็นได้ในทางทฤษฎีเท่านั้นก่อนที่จะสามารถตรวจสอบได้ผ่านการทดลอง

2. ในกราฟีนสองมิติ มวลของอิเล็กตรอนดูเหมือนจะไม่มีอยู่จริง คุณสมบัตินี้ทำให้กราฟีนกลายเป็นสสารควบแน่นที่หายากซึ่งสามารถนำไปใช้ศึกษากลศาสตร์ควอนตัมเชิงสัมพัทธภาพได้ เนื่องจากอนุภาคที่ไม่มีมวลจะต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง ดังนั้น จึงต้องอธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัมเชิงสัมพันธ์ ซึ่งทำให้นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีมีทิศทางการวิจัยใหม่: บางส่วน การทดลองที่แต่เดิมจำเป็นต้องดำเนินการในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์สามารถทำได้ด้วยกราฟีนในห้องปฏิบัติการขนาดเล็ก เซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างพลังงานเป็นศูนย์ส่วนใหญ่เป็นกราฟีนชั้นเดียว และโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์นี้จะส่งผลร้ายแรงต่อบทบาทของโมเลกุลก๊าซบนพื้นผิวของมัน เมื่อเปรียบเทียบกับกราไฟท์จำนวนมาก การทำงานของกราฟีนชั้นเดียวเพื่อเพิ่มกิจกรรมปฏิกิริยาของพื้นผิวจะแสดงโดยผลลัพธ์ของปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันของกราฟีนและปฏิกิริยาออกซิเดชัน ซึ่งบ่งชี้ว่าโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของกราฟีนสามารถปรับกิจกรรมของพื้นผิวได้

3. นอกจากนี้ โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของกราฟีนยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเหนี่ยวนำของการดูดซับโมเลกุลก๊าซ ซึ่งไม่เพียงแต่เปลี่ยนความเข้มข้นของตัวพาเท่านั้น แต่ยังสามารถเจือด้วยกราฟีนที่แตกต่างกันได้อีกด้วย กราฟีนของเซ็นเซอร์สามารถสร้างเป็นเซ็นเซอร์เคมีได้ กระบวนการนี้ส่วนใหญ่เสร็จสิ้นโดยประสิทธิภาพการดูดซับพื้นผิวของกราฟีน จากการวิจัยของนักวิชาการบางคน ความไวของเครื่องตรวจจับเคมีกราฟีนสามารถเปรียบเทียบได้กับขีดจำกัดของการตรวจจับโมเลกุลเดี่ยว โครงสร้างสองมิติที่เป็นเอกลักษณ์ของกราฟีนทำให้มีความไวต่อสภาพแวดล้อมโดยรอบอย่างมาก กราฟีนเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับไบโอเซนเซอร์ไฟฟ้าเคมี เซ็นเซอร์ที่ทำจากกราฟีนมีความไวที่ดีในการตรวจจับโดปามีนและกลูโคสในทางการแพทย์ ทรานซิสเตอร์กราฟีนสามารถใช้สร้างทรานซิสเตอร์ได้ เนื่องจากโครงสร้างกราฟีนมีความเสถียรสูง ทรานซิสเตอร์ประเภทนี้จึงยังคงสามารถทำงานได้อย่างเสถียรในระดับอะตอมเดี่ยว

4. ในทางตรงกันข้าม ทรานซิสเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนในปัจจุบันจะสูญเสียความเสถียรในระดับประมาณ 10 นาโนเมตร ความเร็วปฏิกิริยาที่รวดเร็วเป็นพิเศษของอิเล็กตรอนในกราฟีนต่อสนามภายนอกทำให้ทรานซิสเตอร์ที่ทำจากกราฟีนสามารถเข้าถึงความถี่การทำงานที่สูงมาก ตัวอย่างเช่น IBM ประกาศในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2553 ว่าจะเพิ่มความถี่ในการทำงานของทรานซิสเตอร์กราฟีนเป็น 100 GHz ซึ่งเกินกว่าความถี่ของทรานซิสเตอร์ซิลิคอนที่มีขนาดเท่ากัน จอแสดงผลที่ยืดหยุ่น หน้าจอที่โค้งงอได้ดึงดูดความสนใจอย่างมากที่งาน Consumer Electronics Show และกลายเป็นเทรนด์ของการพัฒนาหน้าจอแสดงผลที่ยืดหยุ่นสำหรับจอแสดงผลอุปกรณ์พกพาในอนาคต

5. ตลาดในอนาคตของจอแสดงผลแบบยืดหยุ่นนั้นกว้างมาก และแนวโน้มของกราฟีนในฐานะวัสดุพื้นฐานก็มีแนวโน้มที่ดีเช่นกัน นักวิจัยชาวเกาหลีใต้ได้ผลิตจอแสดงผลโปร่งใสที่มีความยืดหยุ่นเป็นครั้งแรกซึ่งประกอบด้วยกราฟีนหลายชั้นและแผ่นซับสเตรตแผ่นโพลีเอสเตอร์ใยแก้ว นักวิจัยจาก Samsung และมหาวิทยาลัย Sungkyunkwan ของเกาหลีใต้ได้ประดิษฐ์ชิ้นส่วนกราฟีนบริสุทธิ์ขนาดเท่าทีวีบนแผ่นโพลีเอสเตอร์ใยแก้วโปร่งใสที่มีความยืดหยุ่นกว้าง 63 ซม. พวกเขากล่าวว่านี่คือบล็อกกราฟีน "จำนวนมาก" ที่ใหญ่ที่สุด ต่อจากนั้น พวกเขาใช้บล็อกกราฟีนเพื่อสร้างหน้าจอสัมผัสที่ยืดหยุ่น

6. นักวิจัยกล่าวว่าตามทฤษฎีแล้ว ผู้คนสามารถม้วนสมาร์ทโฟนขึ้นและปักหมุดไว้ด้านหลังหูได้เหมือนดินสอ แบตเตอรี่พลังงานใหม่ แบตเตอรี่พลังงานใหม่ยังเป็นส่วนสำคัญของการใช้งานเชิงพาณิชย์ที่เก่าแก่ที่สุดของกราฟีน สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ในสหรัฐอเมริกาประสบความสำเร็จในการพัฒนาแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีความยืดหยุ่นพร้อมการเคลือบกราฟีนนาโนบนพื้นผิว ซึ่งสามารถลดต้นทุนในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ที่โปร่งใสและเปลี่ยนรูปได้อย่างมาก แบตเตอรี่ดังกล่าวอาจใช้กับแว่นตามองกลางคืน กล้อง และกล้องดิจิตอลขนาดเล็กอื่นๆ แอพพลิเคชั่นในเครื่อง นอกจากนี้ การวิจัยและพัฒนาที่ประสบความสำเร็จของซูเปอร์แบตเตอรี่กราฟีนยังช่วยแก้ปัญหาความจุไม่เพียงพอและเวลาในการชาร์จแบตเตอรี่รถยนต์พลังงานใหม่ที่ยาวนาน ซึ่งช่วยเร่งการพัฒนาอุตสาหกรรมแบตเตอรี่พลังงานใหม่อย่างมาก

7. ผลการวิจัยชุดนี้ปูทางไปสู่การประยุกต์ใช้กราฟีนในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่พลังงานใหม่ ตัวกรองกราฟีนแยกเกลือถูกนำมาใช้มากกว่าเทคโนโลยีแยกเกลืออื่นๆ หลังจากที่ฟิล์มกราฟีนออกไซด์ในสภาพแวดล้อมของน้ำสัมผัสกับน้ำอย่างใกล้ชิด จะสามารถสร้างช่องที่มีความกว้างประมาณ 0.9 นาโนเมตรได้ และไอออนหรือโมเลกุลที่มีขนาดเล็กกว่าขนาดนี้ก็สามารถผ่านได้อย่างรวดเร็ว ขนาดของช่องของเส้นเลือดฝอยในฟิล์มกราฟีนจะถูกบีบอัดเพิ่มเติมด้วยวิธีกล และขนาดรูพรุนจะถูกควบคุม ซึ่งสามารถกรองเกลือในน้ำทะเลได้อย่างมีประสิทธิภาพ กราฟีนของวัสดุกักเก็บไฮโดรเจนมีข้อดีคือ มีน้ำหนักเบา มีความเสถียรทางเคมีสูง และพื้นที่ผิวจำเพาะสูง ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับวัสดุกักเก็บไฮโดรเจน เนื่องจากคุณลักษณะของการนำไฟฟ้าสูง มีความแข็งแรงสูง น้ำหนักเบาเป็นพิเศษและบางในการบินและอวกาศ ข้อดีของการประยุกต์ใช้กราฟีนในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและการทหารจึงมีความโดดเด่นอย่างมากเช่นกัน

8. ในปี 2014 NASA ในสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาเซ็นเซอร์กราฟีนที่ใช้ในสนามการบินและอวกาศ ซึ่งสามารถตรวจจับองค์ประกอบการติดตามในบรรยากาศระดับความสูงของโลกและข้อบกพร่องทางโครงสร้างบนยานอวกาศ กราฟีนจะมีบทบาทสำคัญในการใช้งานที่มีศักยภาพ เช่น วัสดุเครื่องบินที่มีน้ำหนักเบาเป็นพิเศษ องค์ประกอบไวแสงเป็นองค์ประกอบไวแสงชนิดใหม่ที่ใช้กราฟีนเป็นวัสดุขององค์ประกอบไวแสง ด้วยโครงสร้างพิเศษ คาดว่าจะเพิ่มความสามารถในการรับแสงได้หลายพันเท่าเมื่อเทียบกับ CMOS หรือ CCD ที่มีอยู่ และการใช้พลังงานเพียง 10% ของต้นฉบับ สามารถใช้ในด้านจอภาพและการถ่ายภาพดาวเทียม และสามารถใช้ในกล้อง สมาร์ทโฟน ฯลฯ วัสดุคอมโพสิต วัสดุคอมโพสิตที่ใช้กราฟีนเป็นแนวทางการวิจัยที่สำคัญในด้านการใช้งานกราฟีน พวกเขาได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในด้านการจัดเก็บพลังงาน อุปกรณ์คริสตัลเหลว อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ วัสดุชีวภาพ วัสดุตรวจจับ และตัวพาตัวเร่งปฏิกิริยา และมีแนวโน้มการใช้งานที่หลากหลาย

9. ปัจจุบันการวิจัยคอมโพสิตกราฟีนมุ่งเน้นไปที่คอมโพสิตโพลีเมอร์กราฟีนและนาโนคอมโพสิตอนินทรีย์ที่ใช้กราฟีนเป็นหลัก ด้วยการวิจัยกราฟีนอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น การประยุกต์ใช้การเสริมแรงกราฟีนในคอมโพสิตที่ทำจากโลหะจำนวนมาก ผู้คนต่างให้ความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ คอมโพสิตโพลีเมอร์อเนกประสงค์และวัสดุเซรามิกที่มีรูพรุนความแข็งแรงสูงที่ทำจากกราฟีนช่วยเสริมคุณสมบัติพิเศษมากมายของวัสดุคอมโพสิต ไบโอกราฟีนใช้เพื่อเร่งการสร้างความแตกต่างในการสร้างกระดูกของเซลล์ต้นกำเนิดจากไขกระดูกของมนุษย์ และยังใช้เพื่อสร้างไบโอเซนเซอร์ของกราฟีนอีพิทาแอกเซียลบนซิลิคอนคาร์ไบด์ ในเวลาเดียวกัน กราฟีนสามารถใช้เป็นอิเล็กโทรดเชื่อมต่อเส้นประสาท โดยไม่เปลี่ยนแปลงหรือทำลายคุณสมบัติ เช่น ความแรงของสัญญาณ หรือการสร้างเนื้อเยื่อแผลเป็น เนื่องจากความยืดหยุ่น ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ และการนำไฟฟ้า อิเล็กโทรดกราฟีนจึงมีเสถียรภาพในร่างกายมากกว่าอิเล็กโทรดทังสเตนหรือซิลิคอนมาก กราฟีนออกไซด์มีประสิทธิภาพมากในการยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อ E. coli โดยไม่ทำอันตรายต่อเซลล์ของมนุษย์