กราฟีนกับคุณสมบัติการเปียกน้ำหรือชอบน้ำได้อย่างไรกัน

          วัสดุศาสตร์ เป็น ศาสตร์ที่ว่าด้วยเรื่องของ วัสดุที่นำมาศึกษา ค้นคว้า และ วิจัย คุณสมบัติทางวิทยาศาสตร์ เพื่อให้ได้วัสดุที่นำมาทดสอบนั้นมีประสิทธิภาพสูงสุดเหมาะสำหรับกับการนำไปใช้งานด้านต่างๆมากมาย นับไม่ถ้วน ยกตัวอย่างเช่น การทดสอบความแข็งแรงของวัสดุ นั้นสามารถนำไปปรับใช้ในการประกอบโครงของรถยนต์ รวมทั้ง ใช้ในการก่อนสร้างอาคารต่างๆ อิฐมวลเบาที่สามารถทนความร้อนได้สูง รวมถึงการศึกษาเข้าไปในส่วนที่เล็กที่สุดของวัสดุ ไม่ว่าจะเป็นตัวโครงสร้างของวัสดุ คุณสมบัติการนำไฟฟ้า รวมถึงความหยาบของพื้นผิววัสดุนั้นๆ ตัวอย่างเช่นเราอาจจะเคยเห็นตอนเรานั่งรถสาธารณะ หรือ เดินทางไปกับคนในครอบครัว เวลาฝนตกนั้นเราจะเห็นกระจกรถจะมีหยดน้ำกลิ้งไปกลิ้งมาบนกระจก โดยปกติของคนเรานั้น จะคิดว่า เวลาน้ำหกใส่พื้น ผนัง ไรแล้วแต่ ส่วนมากจะต้องเปียกดิ ไม่สามารถเกาะกลุ่มกันเป็นหยดน้ำได้ ทำไมกัน จึงเกิดการตั้งข้อสังเกต และ สงสัยของนักวิทยาศาสตร์อย่างมาก ดั่งเช่น สถาบัน The National Physical Laboratory's (NPL) ได้ทำการศึกษาการเคลือบชั้นผิวของกราฟีน เพื่อนำไปประยุกต์ใช้ในวงการทางการแพทย์ อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ


          ก่อนที่เราจะไปเข้าสู่เนื้อหาการทดลอง ผู้เขียนอยากจะเกริ่นนำประวัติความเป็นมา ของการไม่ชอบน้ำ(Hydrophobic) และ การชอบน้ำ(Hydrophilic) กันก่อนเลย ตามข้าพเจ้ามา ย้อนไปเมื่อปี ค.ศ. 1804 มีนักวิทยาศาสตร์ นามว่า โทมัส ยัง (Thomas Young) ได้สังเกตเห็น หยดน้ำที่สามารถกลิ้งไปกลิ้งมาได้บนใบบัว หรือเรียกว่า ปรากฏการณ์ใบบัว (Lotus Leaf) ทำให้เขาประหลาดใจเป็นอย่างมากที่ว่า ปกติแล้วเขาทำน้ำหกที่บ้าน ส่วนมากจะต้องเปียกไปกับพื้นซิ แต่ทำไมน้ำที่อยู่บนใบบัวกลับกลายเป็นไม่เปียก แต่ยังสามารถกลิ้งไปกลิ้งมายังกับลูกบอลได้ โทมัส ยัง จึงเลยทำการคิดค้นและวิจัย จากการสังเกตหยดน้ำบนใบบัวนั้น สู่สมการยัง(Young equation) ที่ใช้ในการศึกษาเกี่ยวกับแรงตึงผิว (Surface Tension) และ มุมผิวสัมผัส (Contact Angle) ที่นำมาใช้อธิบายคุณสมบัติการทำให้เปียก (Wetting Capability) ของพื้นผิวแต่ละชนิด

 

          สมการของยังนั้น จะมีรูปร่างหน้าตาแบบนี้ \(cos⁡θ_y = \frac{Ysv -Ysl }{Ytv}\) โดยที่ γ_sv คือ แรงตึงผิวระหว่างผิววัสดุกับอากาศทีกระทำต่อกัน, \(γ_sl\) คือ แรงตึงผิวระหว่างของแข็ง กับ ของเหลวที่กระทำต่อกัน และ \(γ_lv\) คือแรงตึงผิวระหว่างของของเหลวกับอากาศที่กระทำต่อกัน ส่วน \(cos⁡ θ_y \) คือมุมที่กระทำของแรงตึงผิวระหว่าง ของแข็ง ของเหลว แก๊ส 


          จากข้างต้นเป็นการเกริ่นนำถึง ที่มาที่ไปของสมการยัง ซึ่งจะมีส่วนของค่ามุมสัมผัสของหยดน้ำ(Water Contact Angle,WCA) ซึ่งเป็นมุมสัมผัส ระหว่างหยดน้ำ กับ พ้ืนผิวที่ถูกกำหนดโดย ค่าพลังงานเชิงพ้ืนผิว (Surface energy) ของน้ำและผิววัสดุ โดยที่ถ้าค่ามุมสัมผัสของหยดน้ำนั้นน้อยกว่า 90 องศา พื้นผิวนั้นจะมีคุณสมบัติชอบน้ำ ทำให้น้ำนั้นเปียกไปกับพื้นผิว หรือที่เรียกว่า พื้นผิวไฮโดรฟิลิก (Hydrophilic surface) แต่ในทางกลับกัน ถ้ามุมของผิวสัมผัสของหยดน้ำมีค่ามากกว่า 90 องศา เราจะเรียกคุณสมบัตินี้ว่า คุณสมบัติการไม่ชอบน้ำ โดยที่น้ำนั้นจะไม่เปียกไปกับพื้นผิวจะกลิ้งไปกลิ้งมาได้บนพื้นผิวได้ หรือที่เรียกว่า พื้นผิวไฮโดรโฟบิก (Hydrophobic surface)

 

          สมการดังกล่าวถูกเสนอไว้เมื่อราว 200 ปีก่อนโดยโทมัส ยัง (Thomas Young) ซึ่งเป็นทั้งนักฟิสิกส์ นักปรัชญา แพทย์ นักภาษาศาสตร์ และนักอียิปต์วิทยา ผลงานที่โดดเด่นของเขาคือการทดลองเกี่ยวกับการแทรกสอดของแสงผ่านสลิตคู่ (Double-Slit Experiment) การกำหนดความแข็งแรงของวัตถุด้วยมอดูลัสของยัง (Young's Modulus) การสร้างทฤษฎีเกี่ยวกับการมองเห็นและสี (Young–Helmholtz Theory) การสร้างสมการอธิบายมุมสัมผัสของของไหลบนพื้นผิวของของแข็ง (Young–Dupré Equation) การสร้างสมการอธิบายปรากฏการณ์คาปิลารี (Young–Laplace Equation) อีกด้วย


          เมื่อเราทราบทฤษฎีความเป็นมาของโทมัส ยัง แล้วที่ได้เกริ่นนำไปเบื้องต้น เราจะมาเข้าสู่เนื้อหาการวิจัยและทดลอง ของทีมวิจัย The National Physical Laboratory's (NPL) โดยที่ทางทีมวิจัยนั้นอยากจะศึกษาว่า กราฟีนนั้นมีคุณสมบัติชอบน้ำ หรือ ไม่ชอบน้ำอย่างไร โดยที่อนาคตข้างหน้า จะนำวัสดุกราฟีนนั้นไปต่อยอดโดยการเคลือบผิว (surface coating) ต่อไปโดยการทดลองนั้น ทางทีมวิจัยทำการหยดน้ำลงบน ซิลิกอน คาร์ไบด์ ที่เคลือบอยู่บนผิวของชั้นกราฟีน โดยกำหนดให้ จำนวนชั้นของกราฟีนชั้นที่1 และ จำนวนกราฟีนชั้นที่2 เพื่อดูคุณสมบัติการยึดเกาะ(Adhesion force)และแรงเสียดทานของน้ำที่เกิดขึ้น โดยการใช้เทคนิคการวัดด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม หรือ atomic force microscopy เพื่อดูแรงยึดเหนี่ยวระหว่างหัววัดกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมที่กระทำในแต่ละชั้นของกราฟีน รวมถึง แรงเสียดทานระหว่างชั้นพื้นผิว


          จากผลการทดลอง ทางทีมวิจัยได้ผลสรุปว่า ในชั้นเลเยอร์ชั้นที่2ของกราฟีนนั้นจะเกิดแรงยึดติด(Adhesion force)ของน้ำกับพื้นผิววัสดุกราฟีนที่ถูกเคลือบด้วยซิลิกอน คาร์ไบด์ นั้นมากกว่า ชั้นเลเยอร์ชั้นที่1ที่มีความหนาของพื้นผิวกราฟีนที่บางกว่า จึงส่งผลให้เกิดความไม่ชอบน้ำเกิดขึ้นที่บริเวณเลเยอร์ชั้นที่2 มากกว่าชั้นที่1 จึงเลยทำให้เลเยอร์ชั้นที่2 นั้น มีความเป็นไม่ชอบน้ำ หรือ hydrophobic แต่ในทางตรงกันข้ามเลเยอร์ชั้นที่1นั้นจะมีความชอบน้ำ หรือ hydrophilic แทน ต่อมาในส่วนของแรงเสียดทานระหว่างน้ำกับพื้นผิววัสดุนั้นที่เลเยอร์ชั้นที่2 จะมีความเสียดทานที่ต่ำกว่าเลเยอร์ชั้นที่1 เป็นเพราะ อะตอมไฮโดรเจนและออกซิเจนในโมเลกุลของน้ำนั้นเกิดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลที่แข็งแกร่งอย่างมาก จึงเลยทำให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างของของเหลวกับตัววัสดุนั้นต่ำลง ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของเลเยอร์ชั้นที่2ของกราฟีน จึงส่งผลให้เกิดแรงเสียดทานต่ำบนผิวเลเยอร์ชั้นที่2นั้นต่ำอย่างเห็นได้ชัด


          ในสุดท้ายนี้ทางทีมวิจัยยังได้กล่าวทิ้งท้ายเอาไว้ว่า เทคนิคที่นำมาใช้นั้นเป็นการช่วยให้เข้าใจพฤติกรรมการเปียกของวัสดุกราฟีน ซึ่งอาจจะมีวิธีการสังเคราะห์กราฟีนขึ้นมาใหม่รวมถึงเทคนิคการเคลือบผิวที่แตกต่างกันขึ้นอย่างกับความหนาของการเคลือบผิว ตัวอย่างเช่น การเคลือบผิวในเลเยอร์ชั้นที่2ของกราฟีนนั้น เหมาะกับการนำไปทำเป็นอุปกรณ์ทางการแพทย์ ละ ส่วนประกอบทางอิเล็กทรอนิกส์เพื่อป้องกันการโดนน้ำของอุปกรณ์ภายใน แต่ในทางตรงกันข้ามในส่วนของเลเยอร์ชั้นที่1ของกราฟีนนั้นจะมีความเป็นชอบน้ำมากกว่า จึงเหมาะกับการนำไปทำเป็น สารเคลือบฝ้าบนกระจก และ สีทาผนังอาคาร เป็นต้น


          เกร็ดความรู้ตอนท้าย เรื่องการทดลอง ผู้อ่านบางท่านอ่านแล้วก็นึกอดสงสัยไม่ได้ว่า เทคนิคการวัดกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม หรือ ภาษาอังกฤษ เรียกว่า atomic force microscopy นั้นคืออะไร กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมเป็นกลุ่มเทคนิคที่สามารถใช้ในการศึกษาสภาพพื้นผิวของวัสดุประเภทต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น พื้นผิวสภาพหยาบ เรียบ หรือความไม่เป็นระเบียบของพื้นผิว ซึ่งกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมนี้เป็นเทคนิคเดียวกันในกลุ่ม Scaning probe หลักการพื้นฐานเบื้องต้นคือ การใช้เข็มตรวจวัดขนาดเล็กท่ีทําจากซิลิคอนไนไตรด์ (silicon nitride) เคลื่อนที่กราด(scan)ไปทั่วบริเวณต่างๆของผิววัสดุที่มีขนาดเล็กในระดับนาโนเมตร จากนั้นกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม จะใช้หัวอ่านขนาดเล็กวัดแรงผลักและแรงดูดที่เกิดขึ้นระหว่างหัวเข็มกับพื้นผิวของวัตถุ เพื่อมาทำเป็นภาพของพื้นผิวของวัตถุ เช่น ความสูง-ต่ำของผิววัสดุ ความหยาบและเรียบของพื้นผิววัสดุ นั้นๆได้อีกด้วย

ที่มา 

• https://phys.org/news/2015-08-graphene-hydrophobic-hydrophilic.html
• https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5b03220
• https://www.researchgate.net/publication/221677383_Graphene_coatings_An_efficient_protection_from_oxidation
• https://www.researchgate.net/publication/331851792_Graphene_Nanoplatelets_Coating_for_Corrosion_Protection_of_Aluminum_Substrates