คาร์บอน (C) ธาตุแห่งชีวิต

          คาร์บอน (carbon) เป็นธาตุในหมู่สี่ ตามตารางธาตุ มาจากคำว่า “charbone” เป็นภาษาฝรั่งเศส หมายถึง ถ่านที่สุกประกาย (glowing coal) คาร์บอนถือเป็นธาตุที่พบมากที่สุดในสิ่งมีชีวิต และมีความพิเศษอีกอย่างคือ สามารถเกิดพันธะได้หลายรูปแบบ เช่น พันธะเดี่ยว พันธะคู่ และพันธะสาม จึงทำให้เฉพาะธาตุคาร์บอนเอง สามารถจับตัวกัน และเกิดเป็นโครงสร้างได้หลายรูปแบบ (อัญรูป) ได้แก่ เพชร แกรไฟต์ ฟูลเลอรีน และท่อนาโนคาร์บอน เป็นต้น ปัจจุบันคาร์บอนได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย อาทิ ไส้ดินสอ วัสดุกรอง วัสดุหล่อลื่น วัสดุแยกสารในคอลัมน์ของเครื่องโครมาโทกราฟ สารเติมแต่งเพื่อเพิ่มความแข็งในโลหะ เครื่องประดับเพชรที่ทรงคุณค่า และอีกมากมาย

ภาพที่ 1 : อัญรูปของคาร์บอน ซึ่งเป็นธาตุเดียวกันแต่โครงสร้างต่างกัน
ที่มา : http://www.icoachmath.com/chemistry/definition-of-allotropy-of-carbon.html

ความเป็นมาของท่อนาโนคาร์บอน

          ในปี ค.ศ. 1976 Morinobu Endo ได้ค้นพบวิธีการสังเคราะห์เส้นใยคาร์บอนที่มีขนาดในระดับนาโนเมตร หลังจากนั้น ในปี ค.ศ. 1985 นักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบล 3 ท่าน ได้แก่ Richard Smalley, Harold Kroto และ Robert Curl (ได้รับรางวัล Nobel สาขาเคมี ในปี ค.ศ. 1996)  ได้ค้นพบโครงสร้างของคาร์บอนที่มีขนาดเล็กและเรียกมันว่า Fullerene ซึ่งมีรูปร่างหลายแบบ เช่น ทรงกลม (bucky balls) และท่อ (nanotubes) เป็นต้น ในปี ค.ศ. 1991 ท่อนาโนคาร์บอน (carbon Nanotubes: CNTs) ได้ถูกสร้างขึ้นโดยวิธีอาร์คดิสชาร์จ (Arc Discharge) จากนักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น Sumio Iijima หลักจากนั้นเป็นต้นมา CNTs ก็ได้รับความสนใจจากนักวิจัยทั่วโลก โดยต่างกล่าวเป็นเสียงเดียวกันว่า นี่คือ วัสดุแห่งอนาคต

คุณสมบัติของท่อนาโนคาร์บอน

          CNTs เกิดจากการเรียงตัวของคาร์บอนเป็นแนวยาว มีรูปร่างเป็นโครงตาข่ายของคาร์บอน ม้วนเชื่อมติดกันเป็นรูปทรงกระบอกที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางเพียงไม่กี่นาโนเมตร ซึ่งนักเคมีมีแนวความคิดว่าท่อนาโนคาร์บอนนี้มีลักษณะเป็น monoelemental polymer (โพลิเมอร์ที่ประกอบไปด้วยธาตุเพียงชนิดเดียว ซึ่งแตกต่างจากโพลิเมอร์ที่พบโดยทั่วไปที่จะพบอะตอมของธาตุอื่นด้วย)

          CNTs มีคุณสมบัติที่แข็งแรงและเหนียวกว่าเหล็กกล้า ความความยืดหยุ่นสูง มีขนาดเล็ก แต่พื้นที่ผิวสัมผัสที่มากกว่าวัสดุทั่วไป สามารถนำไฟฟ้า หรือ กลายเป็นฉนวน (ไม่นำไฟฟ้า)ได้ ขึ้นอยู่กับทิศทางของแนวการจัดเรียงตัวของอะตอมคาร์บอน อีกทั้งยังมีน้ำหนักเบา ทำให้สามารถนำมาประยุกต์ใช้ได้อย่างกว้างขวางในหลายอุตสาหกรรม

ภาพที่ 2 : โครงสร้างของคาร์บอนนาโนทิวป์แบบหลายชั้น
ที่มา : https://www.nanoshel.com/multi-walled-carbon-nanotubes/

อดีต ปัจจุบัน และอนาคาต

          ในยุคแรกของการพัฒนา CNTs นั้น งานวิจัยส่วนใหญ่เน้นไปที่การพัฒนากระบวนสังเคราะห์ CNTs ซึ่งมีทั้งแบบ Single Wall และ Multi-Walls การควบคุมกระบวนการสังเคราะห์ โดยมีวิธีที่โดดเด่นอยู่ 2 วิธีด้วยกัน คือ Chemical Vapour Deposition (CVD) และ Arc Discharge ทั้งสองวิธีนั้นแตกต่างจากวิธีอื่น ๆ ตรงที่สามารถผลิต CNTs ได้ปริมาณมาก เหมาะแก่การนำไปใช้ในภาคอุตสาหกรรม

          หลังจากผ่านยุคการพัฒนาการสังเคราะห์ CNTs ก็เข้าสู่ช่วงการศึกษาสมบัติ และความเป็นไปได้ในการประยุกต์ใช้ CNTs โดยในปี ค.ศ. 1997 นักวิจัยจาก Delft University และ UC Berkley สามารถนำ CNTs มาทำเป็นทรานซิสเตอร์ และต่อมาในปี ค.ศ. 2003 บริษัท NEC ได้ประกาศว่าประสบความสำเร็จในการผลิตทรานซิสเตอร์จาก CNTs ซึ่งให้ประสิทธิภาพดีกว่าทรานซิสเตอร์ที่มีอยู่ในเวลานั้นมากกว่า 10 เท่า

          งานวิจัยส่วนใหญ่ในปัจจุบัน จึงเป็นการวิจัยเพื่อนำ CNTs มาประยุกต์ใช้งานจริง ในปี ค.ศ. 2005 จักรยานที่มีโครงที่ทำจากโลหะผสมกับ CNTs ผลิตโดยบริษัท BMC Switzerland ได้ถูกนำมาใช้ในการแข่งขัน Tour de France ซึ่งโครงจักรยานนี้มีน้ำหนักน้อยกว่า 1 กิโลกรัม นับเป็นการฉีกกฎการผลิตโครงจักรยานที่แต่เดิมจะผลิตจากโลหะที่มีน้ำหนักมากเพราะต้องการความแข็งแรง หลักจากนั้นก็ได้มีการนำ CNTs มาใช้กับวัสดุผสมกันอย่างแพร่หลาย โดยในช่วงแรกยังอยู่กับอุปกรณ์กีฬา เช่น ไม้กอล์ฟ ไม้เทนนิส และไม้แบดมินตัน เป็นต้น ต่อมา CNTs ได้เข้ามามีบทบาทอย่างมากในงานวิจัยทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ ไม่ว่าจะเป็นการนำมาใช้เป็นสารกึ่งตัวนำยิ่งยวด ทรานซิสเตอร์ในวงจรไอซีที ตัวนำไฟฟ้าขนาดนาโน และตัวเก็บประจุ เป็นต้น

ภาพที่ 3 : ประโยชน์และการประยุกต์ใช้งานคาร์บอนนาโนทิวป์
ที่มา : https://www.linkedin.com/pulse/carbon-nanotubes-cnt-electronics-electrics-vivek-gupta

          ในอนาคต CNTs จะเข้ามามีบทบาทกับชีวิตมนุษย์มากขึ้น เพราะจะถูกนำมาใช้งานเป็นวัสดุชีวภาพที่ใช้ในร่างกายมนุษย์ เช่น กระดูก ข้อต่อร่างกาย และเป็นตัวนำยา (Drug Delivery) เพื่อให้ยาออกฤทธิ์ ณ จุดที่ต้องการ นอกจากนี้ยังมีความเป็นไปได้ที่จะมีการนำ CNTs มาประยุกต์ใช้ทางด้านสิ่งแวดล้อม เช่น การนำมาใช้ในการบำบัดน้ำ และการกำจัดสารพิษในสิ่งแวดล้อม หรือการฟื้นฟูสภาพแวดล้อมโดยใช้ CNTs เป็นตัวดูดซับสารปนเปื้อนจากแหล่งที่มีการปนเปื้อน เป็นต้น

ประเทศไทยกับการประยุกต์ใช้ท่อนาโนคาร์บอน

          ในส่วนของประเทศไทย Morinobu Endo ได้กล่าวไว้ว่า การที่ประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรมนั้นทำให้มีทรัพยากรชีวภาพรวมถึงขยะและวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตรเป็นจำนวนมาก ซึ่งสิ่งเหล่านี้ล้วนมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลักทั้งสิ้น ดังนั้น จึงมีความเป็นไปได้ที่จะทำการเปลี่ยนขยะเหล่านี้ให้กลายเป็นวัสดุนาโนที่มีค่า และยังลดปัญหาสิ่งแวดล้อมได้อีกด้วย

          สำหรับประเทศไทยนั้นการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิต CNTs อาจเหมือนรถไฟที่ตกขบวนไปแล้ว แต่ว่าทางเลือกในการพัฒนาวัสดุนาโนจากของเหลือใช้ทางการเกษตรและขยะชีวภาพยังมีทางเป็นไปได้และถือเป็นเรื่องใหม่มาก อีกทั้งประเทศไทยเป็นประเทศที่ผลิตรถยนต์มากเป็นอันดับต้น ๆ ของโลก จึงมีความเป็นไปได้อย่างสูงที่จะมีการนำ CNTs มาประยุกต์ใช้งานในชิ้นส่วนรถยนต์ ในทางการแพทย์นั้น วัสดุชีวภาพก็เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่น่าสนใจเพราะยังมีผู้ผลิตไม่มากรายนัก ดังนั้นแล้ว โอกาสจึงเปิดกว้างสำหรับภาคอุตสาหกรรมในไทย รวมถึงการนำมาใช้ประโยชน์ในด้านยา และเป็นตัวนำยาอีกด้วย

          ทางด้านพลังงานในปัจจุบัน พลังงานแสงอาทิตย์กำลังได้รับการสนับสนุนอย่างมากจากภาครัฐ แต่เป็นทราบกันดีว่าเซลล์แสงอาทิตย์นั้นต้องการแดด แต่ไม่ชอบความร้อน ความร้อนและอุณหภูมิที่สูงนั้นจะส่งผลให้เซลล์แสงอาทิตย์มีประสิทธิภาพลดลงอย่างมาก CNTs ซึ่งมีความสามารถในการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม อาจนำมาประยุกต์กับแผงโซล่าเซลล์ เพื่อช่วยลดอุณหภูมิและเพิ่มประสิทธิภาพได้อีกด้วย

แหล่งที่มา
ท่อนาโนคาร์บอน.สืบค้นเมื่อวันที่ 23 กรกฎาคม 2560.จาก http://www.mne.eng.psu.ac.th/knowledge/student/Nano%20Tech49/Nanocarbon%20tube.html.

มนุพัศ โลหิตนาวี. CARBON NANOTUBES: อดีต ปัจจุบัน และอนาคต.สืบค้นเมื่อวันที่ 23 กรกฎาคม 2560.จาก http://horizon.sti.or.th/node/11.

Carbon Nanomaterials in Agriculture.สืบค้นเมื่อวันที่ 23 กรกฎาคม 2560.จาก https://www.nanoshel.com/carbon-nanomaterials-in-agriculture/.

Vivek Gupta.Carbon Nanotubes (CNT) for Electronics & Electrics.สืบค้นเมื่อวันที่ 23 กรกฎาคม 2560.จาก https://www.linkedin.com/pulse/carbon-nanotubes-cnt-electronics-electrics-vivek-gupta.