การปลูกแกรฟีนบนเหล็กสเตนเลสด้วยวิธีการเคลือบผิวด้วยไอเคมีโดยใช้น้ำมันถั่วเหลืองเป็นแหล่งคาร์บอน
The growth of graphene on stainless steel by thermal chemical vapor deposition using soybean oil as a carbon source.
โดย ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.อรรฆวัชร รวมไมตรี สาขาวิชาฟิสิกส์
บทคัดย่อ (ภาษาไทย)
เหล็กสเตนเลสเป็นโลหะผสมที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากคุณสมบัติที่โดดเด่นหลายด้าน เช่น มีความมันวาว แข็ง นำไฟฟ้าได้ดี และทนต่อการกัดกร่อน แต่อย่างไรก็ตามการความแข็ง การนำไฟฟ้า และความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กสเตนเลสยังไม่สูงมากนั้น ดังนั้นการปรับปรุงคุณสมบัติดังกล่าวจะขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้เหล็กสเตนเลสให้กว้างขึ้น แกรฟีนเป็นวัสดุที่มีความแข็งสูงมาก นำไฟฟ้าได้ดีเยียม และต้านทานการกัดกร่อนได้ดี ดังนั้นการเคลือบผิวเหล็กสเตนเลสด้วยแกรฟีนจึงสามารถปรับปรุงคุณสมบัติของพื้นผิวเหล็กสเตนเลสได้ โดยทั่วไปการสังเคราะห์แกรฟีนฟิล์มบนโลหะจะนิยมใช้แก๊สมีเทนเป็นแหล่งคาร์บอน เนื่องจากเป็นแก๊สบริสุทธิ์ที่มีจำนวนคาร์บอนต่อโมเลกุลน้อยและไม่มีออกซิเจนซึ่งเป็นตัวขัดขวางการเกิดแกรฟีน แต่อย่างไรก็ตามการใช้แก๊สมีเทนซึ่งเป็นแก๊สไวไฟนั้นมีความเสี่ยงต่อการระเบิด ดังนั้นการสังเคราะห์แกรฟีนโดยใช้แก๊สมีเทนจึงจำเป็นต้องทำในสถานที่ที่ออกแบบเฉพาะและมีความปลอดภัย ซึ่งจะส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนการสังเคราะห์แกรฟีน ยิ่งไปกว่านั้นอุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมการไหลของแก๊สนั้นยังมีราคาที่สูงอีกด้วย ดังนั้นถ้าสามารถเปลี่ยนจากการใช้แก๊สมีเทนเป็นน้ำมันถั่วเหลืองซึ่งปลอดภัยและหาได้ง่ายในประเทศจะสามารถลดต้นทุนการสังเคราะห์แกรฟีนลงได้อย่างมาก ยิ่งไปกว่านั้นองค์ความรู้ที่ได้จากการปลูกแกรฟีนจากน้ำมันถั่วเหลืองยังสามารถพัฒนาต่อยอดเป็นการใช้น้ำมันพืชใช้แล้วซึ่งเป็นขยะของเสียมาเป็นวัตถุดิบในการปลูกแกรฟีน ซึ่งจะช่วยลดมลภาวะทางน้ำและดินที่เกิดจากการทิ้งขยะน้ำมันพืชใช้แล้วได้อีกด้วย ด้วยเหตุนี้โครงการวิจัยนี้จึงศึกษาการปลูกแกรฟีนบนเหล็กสเตนเลสด้วยวิธีการเคลือบผิวด้วยไอเคมีโดยใช้น้ำมันถั่วเหลืองเป็นแหล่งคาร์บอน จากการศึกษาพบว่าปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการปลูกแกรฟีนบนเหล็กสเตนเลสคือ อุณหภูมิ ปริมาณน้ำมันถั่วเหลือง โดยการปลูกแกรฟีนบนเหล็กสเตนเลสต้องใช้อุณหภูมิที่สูง (ตั้งแต่ 900 C ขึ้นไป) และใช้ปริมาณน้ำมันถั่วเหลืองที่มากพอ เนื่องจากคาร์บอนที่อุณหภูมิสูงสามารถกำจัดโลหะออกไซด์ซึ่งเป็นตัวขัดขวางการเกิดแกรฟีนบนพื้นผิวของเหล็กสเตนเลสได้ก่อนการเกิดแกรฟีน จากการทดลองพบว่าเงื่อนไขการปลูกแกรฟีนบนเหล็กสเตนเลสที่เหมาะสมที่สุดคือ การเผาเหล็กสเตนเลสที่อุณหภูมิ 900 C นาน 30 นาที โดยวิธีการเคลือบผิวด้วยไอเคมีโดยใช้น้ำมันถั่วเหลือง 25 มิลลิลิตร เป็นแหล่งคาร์บอน โดยเงื่อนไขดังกล่าวสามารถปลูกแกรฟีนให้ปกคลุมพื้นผิวของเหล็กสเตนเลสได้เกือบ 100% นอกจากนี้การเคลือบแกรฟีนบนพื้นผิวของเหล็กสเตนเลสยังสามารถเพิ่มความแข็งของพื้นผิวได้อีกด้วย โดยจากการทดสอบพบว่าเหล็กสเตนเลสที่ผ่านการเคลือบผิวด้วยแกรฟีนจะมีความแข็งเพิ่มขึ้นจาก 2.42 GPa เป็น 7.55 GPa ซึ่งคิดเป็น 212%