วัสดุสองมิติ (2-dimentional material) เป็นวัสดุแห่งอนาคตที่ช่วยย่อขนาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้เล็กลงได้อย่างมหาศาล นอกจากนั้นวัสดุสองมิติยังสามารถนำไปใช้ประโยชน์ด้านอื่น ๆ ได้อีกมากมายตัวอย่าง เช่น การทดลองโดยใช้ปลายเข็มขนาดเล็กกดทดสอบความแข็งของกราฟีนสองชั้นและพบว่าความแข็ง (hardness) ที่ได้มีขนาดมากกว่าความแข็งของก้อนเพชรสามมิติ (bulk diamond) ดังนั้นในงานวิจัยชิ้นนี้ได้ใช้วิธีเชิงคอมพิวเตอร์เพื่อศึกษาเสถียรภาพ (phase stability) และรูปแบบการสั่นของโครงสร้างเพชรที่เกิดจากกราฟีนสองชั้น (diamondized bilayer graphene) การคำนวณเสถียรภาพจะช่วยชี้ถึงความเป็นได้ในการสังเคราะห์วัสดุนี้ขึ้นในการทดลองและการวิเคราะห์รูปแบบการสั่น (vibrational analysis) ของโครงสร้างเพชรที่เกิดจากกราฟีนสองชั้นสามารถนำไปเป็นฐานข้อมูลสำหรับการสังเคราะห์และการยืนยันด้วยการวิเคราะห์รามานสเปกตรัม (Raman spectroscopy)

                        งานวิจัยชิ้นนี้นำเสนอว่าโครงสร้างเพชรที่เกิดจากกราฟีนสองชั้นไม่มีเสถียรภาพเชิงพลังงาน (energetic-ally favorable) วัสดุนี้จะมีเสถียรภาพเชิงพลังงานได้นั้นต้องนำอะตอมไฮโดรเจนมาเกาะกับอะตอมคาร์บอนบนผิวของโครงสร้างเพชรที่เกิดจากราฟีนสองชั้น (C₄H₂) ผลที่ตามมาทำให้วัสดุนี้เกิดช่องว่างแถบพลังงาน (band gap)  ประมาณ 3 eV นอกจากนั้นค่าคงตัวยืดหยุ่น (elastic constant) ที่ได้มีค่าใกล้เคียงกับค่าคงตัวยืดหยุ่นของก้อนเพชรสามมิติซึ่งแสดงว่าวัสดุนี้มีความแข็งใกล้เคียงกับเพชร ซึ่งสมบัติทั้งสองข้างต้นนั้นเป็นประโยชน์ต่อการประยุกต์เป็นอุปกรณ์ที่มีความแข็งสูงและไม่นำไฟฟ้าแต่มีขนาดที่บางมากได้

                        ในงานวิจัยชิ้นนี้ยังได้คำนวณเสถียรภาพเชิงพลวัต (dynamical stability) ของโครงสร้างเพชรที่เกิดขึ้นจาก กราฟีนสองชั้นและมีอะตอมไฮโดรเจนมาเกาะด้วยวิธีพลวัตเชิงโมเลกุล (molecular dynamics) พบว่าวัสดุนี้สามารถคงตัวภายใต้อุณหภูมิสูงได้อย่างน้อยถึง 1,000 เคลวิน และการวิเคราะห์รูปแบบการสั่นแสดงให้เห็นถึงรามานสเปกตรัมที่อาจจะมีความคล้ายคลึงกับรามานสเปกตรัมของไดมอนดอยด์ (diamondoids) ทั้งนี้ยังได้ระบุรูปแบบการสั่นของแต่ละความถี่ ได้แก่ การสั่นแบบออกจากระนาบ (out-of-plane), การสั่นแบบภายในระนาบ (in-plane) หรือการแบบเฉือน (shearing) และการสั่นแบบยืดหยุ่นระหว่างอะตอมคาร์บอนกับอะตอมไฮโดรเจน (C-H stretching) เพื่อประโยชน์ในการวิเคราะห์ผลที่ได้จากการทดลองในอนาคตต่อไป

 

โครงสร้างเพชรที่เกิดจากกราฟีนสองชั้นและมีอะตอมไฮโดรเจนมาเกาะจากมุมมองด้านข้าง (คอลัมน์ซ้าย)
และมุมมองด้านบน (คอลัมน์กลาง) และ (คอลัมน์ขวา) รูปแบบการสั่นแบบต่าง ๆ

 

 

 

ธีรโชติ ภากรโชติ1,2, ดร.อรรณพ เอกธาราวงศ์3, ดร.บีจอน อัลลิง3,4, รศ.ดร.อุดมศิลป์ ปิ่นสุข1,2,

ดร.สมชาย ตันชรากรณ์5, ดร.วุฒิไกร บุษยาพร5,รศ.ดร.ธิติ บวรรัตนารักษ์1,2

1ห้องวิจัยฟิสิกส์สถานะรุนแรง และหน่วยวิจัยฟิสิกส์ของวัสดุพลังงาน ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

2ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์

3Theoretical Physics Division, Department of Physics, Chemistry and Biology (IFM), Linköping University, SE-581 83, Linköping, Sweden

4Max-Planck-Institut fürEisenforschung GmbH, Max-Planck Strasse 1, 40237, Düsseldorf, Germany

5สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์กรมหาชน)