นักวิทย์พบวิธีผลิต ‘Graphene’ สุดล้ำ ซ่อนอยู่ในสิทธิบัตรหลอดไฟของ Thomas Edison เมื่อ 129 ปีก่อน

โลกแห่งนวัตกรรมที่หมุนไปอย่างรวดเร็ว บางครั้งคำตอบของอนาคตอาจซุกซ่อนอยู่ในหน้าประวัติศาสตร์ที่เรามองข้าม ล่าสุดนักศึกษาปริญญาโทจากมหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice University) ได้ค้นพบวิธีการใหม่ในการผลิต 'กราฟีน' (Graphene) ซึ่งเป็นวัสดุคาร์บอนที่วงการวิทยาศาสตร์ต้องการตัวมากที่สุด โดยอาศัยเพียงองค์ความรู้จากสิทธิบัตรเก่าแก่อายุกว่าศตวรรษของโทมัส เอดิสัน การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่า ไส้หลอดคาร์บอนที่ใช้ในการทดลองหลอดไฟของเอดิสันเมื่อปี 1897 นั้น สามารถสร้างความร้อนในระดับที่เหมาะสมต่อการผลิตกราฟีน ซึ่งเป็นวัสดุสำคัญสำหรับการสำรวจทางควอนตัมฟิสิกส์และเทคโนโลยีซูเปอร์คอมพิวเตอร์ แม้ว่าเอดิสันจะล่วงลับไปนานแล้วโดยไม่เคยล่วงรู้ถึงความสามารถนี้ แต่การทดลองอันยาวนาน 13 ชั่วโมงของเขาที่ได้รับการบันทึกไว้อย่างละเอียด ก็ยังคงส่งมอบคุณค่าทางนวัตกรรมมาจนถึงปัจจุบัน

จากบ้านสีส้มในนิวเจอร์ซีย์สู่ห้องทดลองฟิสิกส์สมัยใหม่

ชีวิตและมรดกของโทมัส เอดิสันนั้นยิ่งใหญ่เกินกว่าจะบรรยายได้หมดในหน้ากระดาษเดียว เขาคือผู้ถือครองสิทธิบัตรกว่า 1,000 รายการ และเป็นผู้บุกเบิกห้องปฏิบัติการวิจัยอุตสาหกรรมแห่งแรกของโลก ทว่ายังมีบทลับที่เพิ่งถูกเปิดเผยในเกือบหนึ่งศตวรรษหลังจากที่เขาเสียชีวิต เรื่องราวเริ่มต้นขึ้นเมื่อ ลูคัส เอ็ดดี้ (Lucas Eddy) นักศึกษาปริญญาโทจากมหาวิทยาลัยไรซ์ พยายามหาวิธีที่มีประสิทธิภาพกว่าเดิมในการผลิตกราฟีน วัสดุที่มีความจำเป็นอย่างยิ่งในการทดลองฟิสิกส์ควอนตัม รวมถึงการใช้งานด้านการกักเก็บพลังงานและซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ปัจจุบันวิธีการผลิตกราฟีนแบบเทอร์โบสแตติก (Turbostatic Graphene) ที่แพร่หลายที่สุดต้องอาศัยการผ่านแรงดันไฟฟ้าเข้าไปในตัวต้านทานที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ และต้องใช้ความร้อนสูงถึง 2,000 องศาเซลเซียส หรือประมาณ 3,600 องศาฟาเรนไฮต์ ซึ่งเอ็ดดี้มองว่ากระบวนการนี้ยังไม่ใช่วิธีที่ดีที่สุด เขาจึงเริ่มมองหาทางเลือกอื่น ตั้งแต่การศึกษาเครื่องเชื่อมอาร์กไปจนถึงปรากฏการณ์ฟ้าผ่าต้นไม้ แต่ท้ายที่สุด คำตอบที่เขาตามหากลับอยู่ที่บ้านสีส้มอันโดดเด่นและห้องแล็บอิฐแดงของเอดิสันในรัฐนิวเจอร์ซีย์

การตามล่าหาหลอดไฟต้นฉบับและกระบวนการ Flash Joule Heating

เอ็ดดี้พยายามค้นหาอุปกรณ์ที่เล็กและง่ายที่สุดสำหรับการทำ 'Flash Joule heating' ซึ่งเป็นกระบวนการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วด้วยไฟฟ้า จนกระทั่งเขานึกขึ้นได้ว่าหลอดไฟในยุคแรกเริ่มนั้นใช้ไส้หลอดที่ทำจากคาร์บอน โดยเฉพาะงานออกแบบหลอดไฟดั้งเดิมของเอดิสันในปี 1879 ที่สามารถทำความร้อนได้ถึงระดับ 2,000 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่จำเป็นต่อการผลิตกราฟีนพอดี กลไกทั้งหมดนี้ถูกระบุไว้อย่างชัดเจนในคำขอจดสิทธิบัตรของเอดิสัน ทว่าความท้าทายกลับอยู่ที่การหาหลอดไฟสไตล์เอดิสันของจริงมาทดลอง เพราะความพยายามในช่วงแรกของเอ็ดดี้ต้องล้มเหลวเมื่อพบว่าหลอดไฟที่เขาหามาได้นั้น แม้จะระบุว่าเป็นไส้คาร์บอน แต่แท้จริงแล้วกลับเป็นทังสเตนที่ถูกปลอมแปลงมา โชคยังเข้าข้างเมื่อเขาสามารถหาซื้อหลอดไฟสไตล์เอดิสันของแท้ได้จากร้านขายอุปกรณ์ศิลปะเล็กๆ ในนิวยอร์ก เพื่อนำมาเป็นวัตถุตัวอย่างในการทดสอบทางไฟฟ้าครั้งสำคัญนี้

วินาทีเปลี่ยนไส้หลอดให้กลายเป็นทองคำทางวิทยาศาสตร์

เมื่อได้หลอดไฟที่ถูกต้อง เอ็ดดี้ได้ทำการเชื่อมต่อหลอดไฟเข้ากับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง 110 โวลต์ และกระตุ้นให้เกิดการระเบิดของพลังงานในระยะเวลาสั้นๆ เพียง 20 วินาที ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอล เขาได้เห็นการเปลี่ยนแปลงที่น่าอัศจรรย์ เมื่อไส้หลอดสีเทาเปลี่ยนสภาพกลายเป็นสีเงินแวววาวในพริบตา และเมื่อนำสารที่เปลี่ยนรูปนี้ไปวิเคราะห์ด้วยกระบวนการ Raman spectroscopy ผลลัพธ์ก็ยืนยันสิ่งที่เขาคาดหวัง นั่นคือกราฟีนบริสุทธิ์ได้ถือกำเนิดขึ้นแล้ว การทดลองนี้พิสูจน์ให้เห็นว่า นวัตกรรมจากอดีตเมื่อร้อยกว่าปีก่อนสามารถประยุกต์ใช้เพื่อสร้างวัสดุแห่งอนาคตได้อย่างน่าทึ่ง หากเรารู้จักมองในมุมที่ต่างออกไป

ความจริงที่คลาดเคลื่อนและมรดกที่ซ่อนอยู่

อย่างไรก็ตาม มีประเด็นสำคัญทางประวัติศาสตร์และวิทยาศาสตร์ที่ต้องขยายความ แม้ว่าหลอดไฟของเอดิสันจะมีศักยภาพในการผลิตกราฟีนได้ แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าเอดิสันเป็นผู้ผลิตกราฟีนขึ้นมาจริงๆ ในยุคสมัยของเขา สาเหตุเพราะไส้หลอดชนิดเดียวกันนี้ หากได้รับความร้อนต่อเนื่องเป็นเวลานาน มันจะเปลี่ยนสภาพไปเป็น 'กราไฟต์' (Graphite) แทนที่จะเป็นกราฟีน และเมื่อพิจารณาจากบันทึกการทดลองหลอดไฟของเอดิสันที่กินเวลายาวนานถึง 13 ชั่วโมง จึงค่อนข้างแน่นอนว่าสิ่งที่เอดิสันสร้างขึ้นในตอนนั้นคือกราไฟต์ ไม่ใช่กราฟีน เพราะกราฟีนต้องการช่วงเวลาของการให้ความร้อนที่สั้นและแม่นยำกว่านั้น

ถึงกระนั้น การทดลองของเอ็ดดี้ไม่เพียงแค่นำเสนอวิธีการใหม่ในการผลิตคาร์บอนหลากหลายรูปแบบที่จะนำไปสู่นวัตกรรมปฏิวัติโลกในศตวรรษที่ 21 เท่านั้น แต่ยังเป็นเครื่องยืนยันว่านวัตกรรมของเอดิสันที่มีอายุกว่าศตวรรษยังคงมีสิ่งใหม่ๆ ให้เราได้เรียนรู้ หากสิทธิบัตรหลอดไฟเพียงใบเดียวสามารถเปิดทางสู่วิธีการสร้างกราฟีนแบบใหม่ได้ ก็ชวนให้ตั้งคำถามว่า ในบรรดาสิทธิบัตรอีกกว่า 1,000 รายการภายใต้ชื่อของโทมัส เอดิสัน นั้น ยังมีความลับทางวิทยาศาสตร์หรือนวัตกรรมเปลี่ยนโลกอะไรอีกบ้างที่รอคอยการค้นพบ บางทีสิ่งประดิษฐ์แปลกๆ ในอดีตอาจกำลังกุมความลับทางเคมีบางอย่างที่จะเป็นกุญแจสำคัญสู่อนาคตของเราก็เป็นได้

ที่มา: Popular Mechanic