นักวิทยาศาสตร์ค้นพบชวาร์ไซต์ คาร์บอนนาโนรูปแบบล่าสุด

 

คาร์บอนเป็นธาตุที่มีน้ำหนักเบา สร้างพันธะที่เสถียรกับอะตอมข้างเคียงได้ถึงสี่พันธะเกิดโครงสร้างที่หลากหลาย มันจึงเป็นธาตุที่เป็นองค์ประกอบหลักของถ่านหิน น้ำมัน เพชรไปจนถึงร่างกายสิ่งมีชีวิตแทบทุกชนิดบนโลก ที่สำคัญอะตอมคาร์บอนยังจัดเรียงตัวเป็นโมเลกุลระดับนาโนได้อีกด้วย

คาร์บอนระดับนาโนมีโครงสร้างพื้นฐานได้สามรูปแบบได้แก่
1.บักกีบอล (buckyball) ซึ่งมีพื้นผิวเป็นทรงกลม(ความโค้งเป็นบวก) ค้นพบในช่วงปี ค.ศ. 1985

2. กราฟีน (graphene) เป็นแผ่นคาร์บอนแบนราบ(ความโค้งเป็นศูนย์)ที่ถูกค้นพบในปี ค.ศ. 2004

3. ส่วนคาร์บอนนาโนที่มีความโค้งเป็นลบ(ที่มีรูปทรงคล้ายกับอานม้า) เรียกว่าชวาร์ไซต์ (schwarzite) มีแค่ในทฤษฎีจนกระทั่งไม่นานมานี้ ทีมนักวิทยาศาสตร์นำโดยเอฟเรม บรอน (Efrem Braun) ภาควิชาวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์ สหรัฐอเมริกา พิสูจน์ได้ว่าวัสดุที่คณะนักวิจัยจากเกาหลีใต้และญี่ปุ่นสังเคราะห์ได้ก่อนหน้านี้คือชวาร์ไซต์ที่นักวิทยาศาสตร์เฝ้ารอคอย โดยผลงานวิจัยนี้ตีพิมพ์ลงในวารสาร Proceedings of the National Academy of Sciences เมื่อเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 2018 ที่ผ่านมา

แฮร์มันน์ ชวาร์ซ (Hermann Schwarz) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันบุกเบิกการศึกษาคาร์บอนนาโนที่มีพื้นผิวความโค้งเป็นลบมาตั้งแต่สามสิบปีที่แล้ว

วัสดุนี้สังเคราะห์ขึ้นมาโดยใช้ซีโอไลต์ (zeolite) เป็นแม่พิมพ์ ซึ่งซีโอไลต์คือผลึกซิลิกอนไดออกไซด์ที่เคยถูกใช้ผสมในผลิตภัณฑ์ซักผ้าและเป็นสารเร่งปฏิกิริยาในการสร้างแก๊สหุงต้มจากปิโตรเลียม โมเลกุลคาร์บอนที่สร้างโดยใช้ซีโอไลต์เป็นแม่แบบ (zeolite-templated carbons หรือ ZTC) ได้รับความสนใจจากนักวัสดุศาสตร์มาสักพักแล้วแต่ไม่มีใครเฉลียวใจว่ามันคือชวาร์ไซต์

ไอคาร์บอนจะถูกฉีดเข้าไปในซีโอไลต์ซึ่งเต็มไปด้วยรูพรุนจนจับตัวกันเป็นแผ่นคล้ายกราฟีนที่บุไปตามผนังด้านใน จากนั้นแผ่นคาร์บอนจะถูกจับดึงให้ยืดเพื่อลดความขรุขระ ท้ายที่สุดเมื่อละลายโครงซีโอไลต์ให้หายไป

ผลลัพธ์ที่ได้คือคาร์บอนนาโนที่มีพื้นผิวความโค้งเป็นลบรูปร่างคล้ายอานม้าเชื่อมต่อถึงกันเป็นร่างแห

โครงสร้างแบบนี้ก่อตัวขึ้นเองได้ยากมากต้องอาศัยซีโอไลต์เป็นตัวช่วยและก่อนหน้านี้การเลือกซีโอไลต์มาใช้งานก็เป็นไปแบบลองผิดลองถูก ทีมนักวิจัยคาดว่าซีโอไลต์ทุกๆ 200 ชิ้นจะมีเพียง 3 ชิ้นเท่านั้นที่ถูกใช้เป็นแม่แบบได้ การคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์ยืนยันว่าโครงสร้างของซีโอไลต์ที่นำมาใช้สังเคราะห์ชวาร์ไซต์นั้นเป็นไปได้กว่าล้านรูปแบบผลงานสำคัญของทีมวิจัยนี้คือการสร้างสูตรสำเร็จของการปรับแต่งซีโอไลต์ขึ้นมา ทำให้ต่อไปนักวิทยาศาสตร์จะสังเคราะห์ชวาร์ไซต์ที่มีคุณสมบัติตามต้องการขึ้นมาได้เอง

ชวาร์ไซต์ที่สังเคราะห์ได้จากงานวิจัยนี้สามารถกักเก็บประจุไฟฟ้าได้มากกว่าปกติ ในทางทฤษฎีแล้วชวาร์ไซต์มีสมบัติทางแสง และไฟฟ้าเฉพาะตัว มันสามารถนำไปสร้างเป็นตัวเก็บประจุยิ่งยวด แบตเตอรี ตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากนี้พื้นที่ว่างภายในยังนำไปใช้บรรจุและแยกแก๊สได้อีกด้วย

ชวาร์ไซต์นั้นเป็นเพียงวัตถุเชิงทฤษฎีที่มีอยู่ในกระดาษมาเนิ่นนาน และวันนี้ก็ถึงเวลาแล้วที่สมาชิกคาร์บอนนาโน “ครบองค์สาม” เสียที ซึ่งส่งผลให้ในตอนนี้นักวิทยาศาสตร์มีอุปกรณ์ที่ใช้ในการสร้างเครื่องจักรนาโนครบถ้วนมากขึ้นนั่นเอง

ที่มา  https://www.facebook.com/ardwarong/?