แกรไฟต์

แกรไฟต์ () เป็นอัญรูปหนึ่งของธาตุคาร์บอน ชื่อสามัญเรียกว่า "พลัมเบโก (plumbago) " หรือแร่ดินสอดำ มีลักษณะเป็นของแข็ง มีรูปผลึกเป็นแผ่นบาง ๆ ทึบแสง อ่อนนุ่ม สีเทาเข้มถึงดำ เนื้ออ่อน เป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าได้ดี มักใช้ทำไส้ดินสอดำ เบ้าหลอมโลหะ น้ำมันหล่อลื่นบางชนิด ไส้ถ่านไฟฉาย ไส้ไฟอาร์ก ใช้เป็นตัวลดความเร็ว ช่วยควบคุมจำนวนอนุภาคนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ถูกนำมาใช้เมื่อ 4 พันปีก่อนคริสตกาล ในงานทาสีตกแต่งเครื่องเซรามิกในทางตะวันออกเฉียงใต้ของยุโรป ได้มีการค้นพบแหล่งสะสมตัวของแร่แกรไฟต์ขนาดใหญ่มากที่รัฐคัมเบรีย ประเทศอังกฤษ แร่ที่พบมีลักษณะบริสุทธิ์ ไม่แข็ง แตกหักง่าย และมีรูปแบบการสะสมตัวอัดแน่นกัน

แกรไฟต์เป็นชื่อที่ตั้งโดย Abraham Gottlob Werner ในปี ค.ศ. 1789 โดยมาจากภาษากรีกว่า γραφειν หมายถึง "เพื่อวาด/เขียน" ซึ่งตั้งตามการใช้แกรไฟต์ในดินสอ

แร่แกรไฟต์เป็นการจัดเรียงตัวรูปแบบหนึ่งของคาร์บอน ในภาษากรีกแปลว่า ใช้ขีดเขียนวาดภาพ มีคุณสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าหรือกึ่งตัวนำไฟฟ้า แกรไฟต์มีการจัดเรียงตัวแบบเสถียรที่สภาวะมาตรฐาน แต่บางครั้งแร่แกรไฟต์เกิดจากถ่านหินเมื่อมีความร้อน ความดันสูงขึ้นระดับหนึ่งซึ่งพบอยู่บนแอนทราไซท์ (Anthracite) และเมตา-แอนทราไซท์ (Meta-anthracite) ซึ่งโดยปกติแล้ว มักไม่นำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงเพราะติดไฟยาก

แร่แกรไฟต์ที่เกิดในแหล่งสะสม มี 3 ประเภท ได้แก่

นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแกรไฟต์ที่คุณภาพสูงคือ เส้นใยแกรไฟต์ อาจหมายถึง เส้นใยคาร์บอน หรือเส้นใยคาร์บอนที่เสริมความแข็งแรง

แร่ที่เกิดร่วมกับแกรไฟต์ ได้แก่ ควอซ์ต แคลไซต์ ไมกา เหล็ก และทัวร์มาลีน แร่แกรไฟต์มีหลายลักษณะ แผ่นแกรไฟต์ที่บางสามารถงอได้แต่ไม่มีความยืดหยุ่น แร่จะให้สีดำที่มือและกระดาษ สามารถนำไฟฟ้าและแสดงลักษณะการจัดเรียงอะตอมที่ลดแรงเสียดทาน (superlubricity) เป็นตัวบ่งบอกถึง ความอ่อนนุ่ม ความมันวาว ความหนาแน่น และลักษณะของผงแร่

สมาคมสำรวจธรณีวิทยาแห่งสหรัฐอเมริกา (USGC) รายงานว่า อัตราการผลิตแร่แกรไฟต์ในปี ค.ศ.2008 เป็นจำนวน 5000 กิโลตัน โดยมาจาก ประเทศ ควๅe 800 กิโลตัน ประเทศอินเดีย 130 กิโลตัน ประเทศบราซิล 76 กิโลตัน ประเทศเกาหลีเหนือ 30 กิโลตัน และประเทศแคนาดา 28 กิโลตัน โดยแร่แกรไฟต์ได้ขุดที่ประเทศสหรัฐอเมริกา แต่มีการสังเคราะห์ขึ้น โดยในปีคศ. 2007 ได้มีการผลิตขึ้นเป็นจำนวน 198 กิโลตัน คิดเป็นจำนวนเงินทั้งสิ้น 1.18 พันล้านดอลลาห์ อัตราการใช้แร่แกรไฟต์คิดเป็น 42 กิโลตันสำหรับแร่แกรไฟต์ที่มีอยู่ตามธรรมชาติ และ 200 กิโลตัน สำหรับแร่แกรไฟต์ที่สังเคราะห์ขึ้น

แร่แกรไฟต์ประกอบแร่เรียงตัวเป็นชั้น ๆ คาร์บอนมีการจัดเรียงตัวแบบเอลฟา หรือเป็นรูปผลึก 6 หน้า (hexagonal) และจัดเรียงตัวแบบเบตาหรือรูปผลึกขนมเปียกปูน (rhombohedral) โดยมีลักษณะทางกายภาพเหมือนกัน แผ่นแร่รูปผลึก 6 หน้า มีลักษณะบางและไม่แข็ง ผลึกแบบแอลฟาสามารถเปลี่ยนกลับไปเป็นเบตาได้เมื่อแรงกดดัน และผลึกแบบเบตาร์สามารถเปลี่ยนกลับเป็นผลึกแบบเอลฟาเมื่อได้รับความร้อนมากกว่า 1300 องศาเซลเซียส แผ่นแร่แต่ละแผ่นมีความหนาแน่นน้อย

แร่แกรไฟต์มีการนำไฟฟ้าเพราะการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนแต่ละระนาบ โดยอิเล็กตรอนวงนอกสุดสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ จึงสามารถนำไฟฟ้าได้ แต่อย่างไรก็ตามแร่แกรไฟต์นำไฟฟ้าได้ระนาบเดียวเท่านั้น

Rotating graphite stereogram

แร่แกรไฟต์ในธรรมชาติมีการใช้ประโยขน์ในเรื่อง การผลิตเหล็กกล้า อุตสาหกรรมเครื่องเขียน การผลิตอุปกรณ์ที่ช่วยลดการสูญเสียความร้อน การผลิตอุปกรณ์เบรกรถยนต์ อุตสาหกรรมผลิตแบตเตอร์รี่ และทำสารหล่อ (ไม่) ลื่น แกรฟีน (Graphene) ซึ่งเป็นแร่แกรไฟต์ที่พบตามธรรมชาติมีลักษณะเด่นคือ มีความแข็งแรงมาก จึงใช้คุณสมบัตินี้แยกแกรฟีนออกจากแร่แกรไฟต์ทั่วไปเพื่อนำไปใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม

แร่แกรไฟต์สังเคราะห์ใช้ประโยชน์ใน การทำเป็นขั้วไฟฟ้า การทำเป็นผงเพื่อใช้ในงานอุตสาหหรรมผลิตแบตเตอร์รี่ และอุตสาหกรรมผลิตอุปกรณ์เบรกรถยนต์ โดยทำจากเชื้อเพลิงถ่านหินที่เผาจนหมดควัน (petroleum coke) เส้นใยแกรไฟต์หรือเส้นใยคาร์บอนเป็นเส้นใยที่มีความแข็งแรงทนทานสูง ใช้ในการผลิตอุปกรณ์ตกปลา อุปกรณ์กีฬากอล์ฟ อุตสาหกรรมรถจักรยาน และแท่นกระโดดที่สระน้ำ นอกจากนี้แกรไฟต์สังเคราะห์ใช้เป็นสารลดความเร็วของนิวตรอนในปฏิกิริยานิวเคลียร์ โดยแกรไฟต์เป็นตัวดูดกลืนนิวตรอนอิสระในแร่บางชนิด เช่น โบรอน และใช้ในการผลิตอุปกรณ์ดูดจับเรดาร์