มารู้จักท่อนาโนคาร์บอน

ท่อนาโนคาร์บอนเกิดจากการม้วนให้มีรูปร่างเป็นท่อของแผ่นแกรฟีน (โครงสร้างวงแหวน 6 เหลี่ยมของคาร์บอนมาเรียงต่อกันในระนาบเดียวกันมีลักษณะเป็นแผ่นเรียบแบน)

ท่อนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุระดับนาโนที่มีความยาวโดดเด่นออกไปในหนึ่งมิติ (1D nanomaterial) โดยอะตอมในโครงสร้างอยู่ที่ผิวทั้งหมด ส่งผลให้มีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาสูง เพราะอะตอมที่ผิวสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมรอบตัวได้ทุกอะตอม แบ่งออกได้เป็นท่อนาโนคาร์บอนแบบ armchair chiral และ zigzag ตามทิศทางของการม้วนแผ่นแกรฟีน

การสังเคราะห์ท่อนาโนคาร์บอนมีหลายวิธี แต่วิธีที่นิยมคือ การตกเคลือบด้วยไอเคมี (Chemical Vapor Deposition, CVD) การสังเคราะห์ด้วยวิธีนี้จะผ่านแก๊สที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เช่น มีเทน อะเซทิลีน เอทิลีน แอลกอฮอล์ เข้าไปในระบบที่มีสภาพแบบรีดิวซ์และอุณหภูมิสูง การสังเคราะห์ท่อนาโนคาร์บอนโดยทั่วไปมักได้ท่อนาโนคาร์บอนหลากหลายรูปแบบผสมรวมกัน เช่น ท่อนาโนคาร์บอนแบบชั้นเดียว ท่อนาโนคาร์บอนแบบสองชั้น หรือแบบหลายชั้น ซึ่งเป็นท่อนาโนคาร์บอนที่เกิดได้ง่าย และมักปนออกมากับการสังเคราะห์ท่อนาโนคาร์บอนแบบชั้นเดียวและหรือแบบสองชั้น

ในที่นี้จะขอกล่าวถึงเตาปฏิกรณ์เคมีในการสังเคราะห์ท่อนาโนคาร์บอนด้วยวิธี CVD 1 แบบคือ ภายในเตาจะมีถาดสำหรับวางตัวเร่งปฏิกิริยาที่ตำแหน่งความร้อนสูงถึง 1,000 องศาเซลเซียสที่ความดันบรรยากาศ มีการผ่านแก๊สมีเทนซึ่งเป็นแหล่งคาร์บอน และให้ไฮโดรเจนผ่านเข้าไปในระบบเพื่อป้องกันปฏิกิริยาออกซิเดชัน และทำการรีดิวซ์เพื่อการเกิดท่อนาโนคาร์บอน

ท่อนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุนาโนที่อิเล็กตรอนถูกกักให้เคลื่อนที่ในทิศทางตามความยาวของท่อในทิศทางเดียว และระยะเฉลี่ยของอิเล็กตรอนมีค่าใกล้เคียงกับขนาดของท่อนาโนส่งผลให้มีค่าการนำไฟฟ้าที่ไม่มีความต้านทานไม่มีการชนกันของอิเล็กตรอนเรียกว่า การนำไฟฟ้าแบบบอลลิสติก (ballistic conduction) ดังนั้นจึงใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรดในวงจรอิเล็กทรอนิกส์เพื่อลดความต้านทาน ท่อนาโนคาร์บอนที่มีสมบัติเป็นวัสดุกึ่งตัวนำสามารถสร้างเป็นเซนเซอร์ในการตรวจวัดแก๊ส เช่น แอลพีจี เพราะท่อนาโนคาร์บอนที่มีสมบัติเป็นวัสดุกึ่งตัวนำจะสามารถเปลี่ยนแปลงความต้านทานหรือการนำไฟฟ้าได้เมื่อมีแรงภายนอกมากระตุ้น นอกจากนี้ด้วยคุณสมบัติพิเศษด้านความแข็งแรงของท่อนาโนคาร์บอนที่หนือกว่าโลหะและวัสดุอื่นๆ จึงนำมาใช้สร้างความแข็งแรงให้กับไม้เทนนิส ไม้เบสบอล จักรยาน และท่อนาโนคาร์บอนยังมีน้ำหนักเบาเพราะมีน้ำหนักอะตอมเพียง 12.011 กรัมต่อโมล

คณะนักวิจัยจาก University of Edinburgh นำโดย ศาสตราจารย์ Kenneth Donaldson ได้ทดสอบท่อนาโนคาร์บอนในหนูทดลอง แล้วพบว่าสามารถทำให้เกิดมะเร็งที่ปอดได้เหมือนกับมะเร็งที่เกิดจากแร่ใยหิน (asbestos) ผลงานครั้งนี้ได้ตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Nature Nanotechnology

ที่มา:

1. อภิชาติ ด่านวิทยากุล. "ท่อนาโนคาร์บอน: วัสดุในอนาคต" เทคโนโลยีวัสดุ. 61 : 13-18 : ตุลาคม - ธันวาคม 2553.

2. ASTVผู้จัดการออนไลน์. (2551, พฤษภาคม 27). "เตือนให้ระวัง "ท่อนาโนคาร์บอน" ก่อมะเร็งได้เทียบเท่าแร่ใยหิน." [ออนไลน์]. เข้าถึงได้จาก : http://www.manager.co.th/Science/ViewNews.aspx?NewsID=9510000059747 (วันที่ค้นข้อมูล : 22 กรกฎาคม 2557).