เล่นแร่แปรธาตุ ! นักฟิสิกส์เปลี่ยนไส้ดินสอให้เป็นสิ่งล้ำค่า

นักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้เปลี่ยนกราไฟต์ หรือไส้ดินสอธรรมดา ๆ ไปเป็นสิ่งที่มีค่าทางวิทยาศาสตร์ โดยการแยกเกล็ดบาง ๆ ของกราไฟต์ออก 5 ชิ้น แล้วนำมาจัดเรียงตามลำดับ จนทำให้วัสดุที่ได้เกิดคุณสมบัติใหม่ 3 อย่างที่ไม่เคยเจอในกราไฟต์มาก่อน งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์เนเจอร์ นาโนเทคโนโลยี (Nature Nanotechnology) วันที่ 5 ตุลาคม 2023

หลง จู้ (Long Ju) ผู้ช่วยศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ของ MIT และเป็นผู้นำการวิจัยครั้งนี้บอกว่า “ธรรมชาติทำให้เราประหลาดใจได้เสมอ ในกรณีนี้เราไม่เคยคิดมาก่อนว่าสิ่งที่น่าสนใจจะซ่อนอยู่ในกราไฟต์”

ที่มารูปภาพ Physics.MIT

ทั้งนี้กราไฟต์ประกอบด้วยกราฟีน (อะตอมของคาร์บอนชั้นเดียวจัดเรียงเป็นรูปหกเหลี่ยมคล้ายกับโครงสร้างรังผึ้ง) ซึ่งเป็นแผ่นบาง ๆ ประกอบกันหลายชั้น เมื่อประมาณ 5 ปีที่แล้ว นักวิจัยจาก MIT พบว่าการนำแผ่นกราฟีนบาง ๆ มาจัดเรียงกันจากนั้นบิดให้เกิดมุมเล็กน้อยซึ่งกันและกันจะสามารถทำให้เกิดคุณสมบัติใหม่ ๆ ได้ เช่น คุณสมบัติการเป็นตัวนำยิ่งยวด (ความสามารถในการนำไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทาน) และความเป็นแม่เหล็ก ดังนั้นจึงได้เกิดการศึกษาในสาขา ทวิสโทรนิกส์ (Twistronics) ขึ้นมา ซึ่งเป็นการผสมคำระหว่าง Twist (การบิด) กับ Electronics (อิเล็กทรอนิกส์) หรือก็คือการศึกษาที่เกี่ยวข้องกับการซ้อนและการบิดชั้นกราฟีนโดยเน้นผลกระทบต่อคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์

ในการศึกษาครั้งนี้ หลง จู้และทีมพบว่าการจัดวางแผ่นกราฟีนเรียงกัน 5 ชั้น ทำให้อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ภายในวัสดุได้ เรียกว่า “ความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน (Electron Correlation)” ซึ่งส่งผลให้เกิดคุณสมบัติใหม่ ๆ ได้ โดยวัสดุใหม่ที่นักวิจัยศึกษาได้ใหม่นี้เรียกว่า “กราฟีนแบบเรียงซ้อนรูป 6 เหลี่ยมขนมเปียกปูน 5 ชั้น (pentalayer rhombohedral stacked graphene)” 

นวัตกรรมสำคัญที่ทำให้นักวิจัยสามารถแยกเกล็ดของกราฟีนได้คือกล้องจุลทรรศน์ที่สร้างขึ้นมาใหม่ ชื่อ “กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดระยะใกล้แบบกระเจิง (Scattering-type Scanning Nearfield Optical Microscopy หรือ s-SNOM)”  ซึ่งสามารถระบุลักษณะสำคัญต่าง ๆ ของวัสดุในระดับนาโนได้อย่างรวดเร็ว 

ทั้งนี้นักวิจัยพบว่ามีรูปแบบการเรียงซ้อนมากกว่า 10 รูปแบบที่เป็นไปได้ แต่การวิจัยนี้สนใจเพียงแค่รูปแบบ 4 เหลี่ยมขนมเปียกปูนแบบ 5 ชั้นเท่านั้น หลังจากนั้นนักวิจัยติดอิเล็กโทรดเข้าไปในโครงสร้างนี้เพื่อช่วยให้ปรับแต่งระบบด้วยแรงดันไฟฟ้าหรือปริมาณไฟฟ้าที่แตกต่างกัน และผลลัพธ์ก็คือพวกเขาพบคุณสมบัติใหม่ 3 ประการคือ การเป็นฉนวนไฟฟ้า เป็นแม่เหล็ก หรือแสดงคุณลักษณะทอพอโลยี (Topological) ขึ้นอยู่กับปริมาณอิเล็กตรอน

งานวิจัยนี้จึงนับว่ามีความน่าสนใจมาก เราอาจนำวัสดุที่แสดงคุณสมบัติทอพอโลยีไปพัฒนาอุปกรณ์หรือส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ประเภทใหม่ ๆ ได้ รวมถึงยังเป็นการเปิดมุมมองที่กว้างขึ้นว่าวัสดุต่าง ๆ หากเพิ่มเงื่อนไขเล็กน้อยเข้าไป มันก็สามารถแสดงคุณสมบัติแบบอื่น ๆ เพิ่มขึ้นได้

ที่มาข้อมูล SciTechDaily

ที่มารูปภาพ Physics.MIT