นาโนเทคโนโลยี  นาโนเทคโนโลยีจากระบบธรรมชาติสู่การสังเคราะห์ นาโนเทคโนโลยีโดยการสังเคราะห์ (2)
 
 
          ท่อนาโนคาร์บอน (หรือบางครั้งก็เรียกว่า ท่อคาร์บอนนาโน)   เป็นโครงสร้างนาโนที่เป็นวัสดุสังเคราะห์ที่ได้รับความสนใจอย่างมากที่สุดจากนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกในขณะนี้ (ซึ่งมีการศึกษาวิจัยกันอย่างแพร่หลายมากขึ้น)  ทั้งนี้เนื่องจากว่าท่อนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุสังเคราะห์ที่มีลักษณะโครงสร้างพิเศษที่แตกต่างไปจากอัญรูปทั้ง 3 แบบของธาตุคาร์บอน  (ก็คือเพชร กราไฟต์ และบัคมินสเตอร์ฟลูเลอรีน)  โดยท่อนาโนคาร์บอนนี้เกิดขึ้นจากอะตอมคาร์บอนที่จัดเรียงตัวกันเป็นแผ่นซึ่งมีความลื่นไหลสูง (เหมือนกับโครงสร้างของกราไฟต์) อะตอมคาร์บอนเหล่านี้เชื่อมโยงกันเป็นตาข่ายที่มีรูรูปหกเหลี่ยม  แต่มีลักษณะที่ม้วนตัวเข้าหากันเป็นท่อหรือเป็นหลอด  จึงทำให้โครงสร้างนาโนนี้มีคุณสมบัติที่พิเศษหลายประการ  และโครงสร้างนาโนของท่อนาโนคาร์บอนนี้ถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1991 โดยศาสตราจารย์ชาวญี่ปุ่นชื่อ  ซูมิโอะ  ลิจิมา ( Sumio Lijima)
 
 
ท่อนาโนคาร์บอนและโครงสร้างการจัดเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนภายในท่อนาโนคาร์บอน
 
 
          ท่อนาโนคาร์บอนเป็นท่อขนาดเล็กจิ่วมากในระดับนาโนเมตร  โดยเป็นท่อที่สังเคราะห์ขึ้นมาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของท่ออยู่ในช่วงระหว่าง 0.4-4.0 นาโนเมตรเท่านั้น และสามารถสังเคราะห์ได้โครงสร้างที่มีความยาวได้ถึง 10 ไมโครเมตรเลยทีเดียว (อาจจะฟังดูยาวน้อยมากเมื่อเทียบกับสิ่งของทั่วไปที่เราใช้อยู่  แต่ลองคิดว่าถ้าเป็นโลกระดับนาโนนั้น  ความยาวเท่านี้ถือว่ายาวมากเลยทีเดียว)  และท่อนาโนคาร์บอน  สามารถสังเคราะห์ได้โดยแบ่งออกเป็น 2 ลักษณะ  ได้แก่  แบบมีผนังชั้นเดียวหรือผนังเดี่ยว (single wall carbon nanotube : SWCNT) และแบบที่เป็นผนังหลายชั้น (multi-wall carbon nanotube : MWCNT) (ซึ่งคล้ายกับการเอาท่อเล็กซ้อนกันในท่อใหญ่หลายๆ ชั้น)  

 

 
          ท่อนาโนคาร์บอนเป็นโครงสร้างนาโนที่เหล่านักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษา  และพบว่าเป็นโครงสร้างที่มีคุณสมบัติพิเศษหลายด้าน  ซึ่งสามารถที่จะนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างมากมายในอนาคต 
          คุณสมบัติเชิงกลที่พิเศษของท่อนาโนคาร์บอนนี้ คือเป็นโครงสร้างนาโนที่มีความแข็งแกร่ง  น้ำหนักเบา  และมีความยืดหยุ่นอย่างมาก โดยจากการศึกษาของเหล่านักวิทยาศาสตร์  และได้กล่าวไว้ว่าท่อนาโนคาร์บอนนี้เป็นโครงสร้างที่มีความแข็งแกร่งมากกว่าเหล็กเกินกว่า 60 เท่า(บางคนคาดคะเนว่าท่อนาโนคาร์บอนที่สังเคราะห์แล้วมีขนาดเล็กกว่าเส้นผมเล็กน้อย  จะสามารถใช้ลากรถบรรทุกขนาดใหญ่ได้อย่างสบาย  แต่ก็ยังไม่สามารถที่จะพิสูจน์ได้  เพราะยังไม่มีใครสามารถสังเคราะห์ท่อนาโนคาร์บอนที่มีขนาดใหญ่อย่างนั้นได้)  และท่อนาโนคาร์บอนมีน้ำหนักที่เบามาก อีกทั้งเป็นโครงสร้างที่มีความยืดหยุ่น  ซึ่งจากการศึกษาพบว่าสามารถทนต่อแรงดึงได้มากกว่าเล็กถึง 20 เท่า จึงได้มีการนำมาใช้เป็นวัสดุเสริมแรงในผลิตภัณฑ์หลายชนิด  อย่างเช่น  อุปกรณ์กีฬากอล์ฟและเทนนิส  เป็นต้น (และมีแนวโน้มในการใช้ผลิตเป็นโครงสร้างของเครื่องบินอีกด้วย)
 
          คุณสมบัติเชิงไฟฟ้าที่น่าสนใจอย่างมากสำหรับท่อนาโนคาร์บอน คือสามารถเป็นได้ทั้งสารกึ่งตัวนำหรือเซมิคอนดัคเตอร์ และเป็นตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดหรือซูเปอร์คอนดัคเตอร์ (คือตัวนำที่ไม่มีแรงต้านไฟฟ้าเลย) โดยขึ้นอยู่กับกระบวนการสังเคราะห์การจัดเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนตามผนังของท่อ สัดส่วนองค์ประกอบ และวัตถุชนิดอื่นที่ผสมลงไปในโครงสร้างท่อนาโน และเนื่องด้วยเป็นโครงสร้างที่เล็กมากในระดับนาโน ท่อนาโนคาร์บอนจึงมีคุณสมบัติควอนตัม คือสามารถควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนแบบไม่ต่อเนื่อง โดยอาจจะสามารถควบคุมการไหลทีละกลุ่มของอิเล็กตรอน หรือควบคุมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนทีละตัวได้ จึงได้มีการนำมาใช้งานในการผลิตเป็นทรานซิสเตอร์ที่มีความเร็วสูงและมีความต้านทานต่ำมาก และมีการนำมาพัฒนาในการสร้างเกทพื้นฐานเชิงตรรกะ (logic gate) ซึ่งจะนำไปสู่การสร้างระบบของคอมพิวเตอร์นาโน  รวมทั้งมีการพัฒนาที่จะนำท่อนาโนคาร์บอนไปใช้แทนโลหะ  ในส่วนที่เป็นขั้วในตัวหลอดสำหรับจ่ายลำอิเล็กตรอนในการประดิษฐ์จอภาพแบบรังสีแคโทด ที่ใช้ในจอทีวี หรือจอคอมพิวเตอร์  ด้วยคุณสมบัติที่เหนือกว่าคือสามารถให้ความสม่ำเสมอ ให้ปริมาณที่เพียงพอ และมีอายุการใช้งานของการจ่ายอิเล็กตรอนนานกว่า  นอกจากนั้นแล้วยังไม่จำเป็นต้องใช้ในสุญญากาศ  และยังเป็นการประหยัดพลังงาน เนื่องจากสามารถจ่ายอิเล็กตรอนได้ที่อุณหภูมิห้อง โดยไม่จำเป็นต้องเผาไส้หลอดให้แดง อย่างกรณีการใช้โลหะ

     

 

          นอกเหนือจากคุณสมบัติพิเศษทั้งในด้านอิเล็กทรอนิกส์และทางด้านวัสดุศาสตร์แล้ว มีรายงานผลการวิจัยเกี่ยวกับท่อนาโนคาร์บอนในด้านนาโนเทคโนโลยีชีวภาพ เพื่อใช้เป็นพาหะในการทำยีนหรือพันธุกรรมบำบัด (gene therapy) โดยปกติแล้วการทำยีนบำบัด  คือการนำส่งยีนที่ขาดหายไปหรือต้องการใช้ในการรักษาโรคเข้าสู่ร่างกายของผู้ป่วย เพื่อใช้ในการสร้างโปรตีนที่เหมาะสม ซึ่งเคยมีการนำวิธีการนี้มาใช้ในการรักษาโรคได้หลายชนิด เช่น โรคมะเร็ง โรคเอดส์ โรคติดเชื้อ และในวัคซีน และในปัจจุบันนักวิจัยทั่วโลกมีความตื่นตัวในการทำวิจัย  โดยการนำยีนที่ร่างกายขาดหายไปมาทำการตัดต่อในห้องทดลองและให้แก่คนไข้ แต่การนำยีนเดี่ยวๆ เข้าสู่ร่างกายโดยตรงไม่สามารถทำได้ เนื่องจากยีนไม่สามารถเคลื่อนผ่านผนังเซลล์ได้ด้วยตัวเอง จึงได้มีการศึกษาพาหะในการนำส่งไม่ว่าจะเป็นไวรัส ไลโปโซม หรือพอลิเมอร์ ซึ่งในภายหลังกลุ่มนักวิจัยพบว่า การดัดแปลงโครงสร้างของท่อนาโนคาร์บอน  โดยการทำให้มีสายของอะตอมออกซิเจนและคาร์บอนยื่นออกมานอกท่อนาโนคาร์บอน และทำการเชื่อมต่อกับกับหมู่อะมิโนที่มีประจุบวก จากการดัดแปลงนี้ทำให้ท่อนาโนคาร์บอนสามารถละลายน้ำได้ดีและมีประจุบวกอยู่โดยรอบ เนื่องจากประจุของท่อนาโนคาร์บอนและดีเอ็นเอที่ตรงข้ามกัน (ดีเอ็นเอมีประจุลบจากหมู่ฟอสเฟต) ทำให้เกิดเป็นแรงดึงดูดขึ้น โดยเหนี่ยวนำให้เกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อนของท่อนาโนคาร์บอนที่มีดีเอ็นเออยู่รอบๆ และจากผลการวิจัยโดยการเพาะเลี้ยงในเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม พบว่าท่อนาโนคาร์บอนบรรจุดีเอ็นเอสามารถเข้าสู่เซลล์และนำส่งสู่นิวเคลียสได้ และเหนี่ยวนำทำให้เกิดการสร้างโปรตีนได้ นอกจากนี้ไม่พบการเป็นพิษต่อเซลล์จากท่อนาโนคาร์บอนด้วย

 
โครงสร้างที่ประกอบร่วมกันระหว่างท่อนาโนคาร์บอนและดีเอ็นเอ  โดยจะเห็นดีเอ็นเอเป็นโครงสร้างที่พันรอบท่อนาโนคาร์บอน
 

          การสังเคราะห์ท่อนาโนในปัจจุบันนั้นไม่ได้มีเพียงแต่การสังเคราะห์จากธาตุคาร์บอนเท่านั้น ยังมีการสร้างท่อนาโนจากธาตุอื่นๆ อีกมากมาย เช่น ท่อนาโนพอร์ไฟริน หรือที่ทำมากจากซิลิกอน แต่โดยมากแล้วท่อนาโนที่ไม่ได้ทำมาจากธาตุคาร์บอน มักจะเรียกกันว่าเป็นเส้นลวดนาโน (nanowire) เช่น เส้นลวดนาโนซิลิกอน เป็นต้น

 
              <----- สามารถใช้เม้าส์ในการควบคุมการหมุนของโครงสร้างท่อนาโนคาร์บอน  โดยโครงสร้างจะหมุนหรืออยู่กับที่ตามตำแหน่งของเม้าส์ ----->
 

คำศัพท์คณิตศาสตร์ที่น่าสนใจ

หมวด : | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

    ศัพท์เคมี    ศัพท์คณิตศาสตร์   ศัพท์ฟิสิกส์   

  บทความวิทยาศาสตร์      ศัพท์ชีววิทยา      สื่อการสอนฟิสิกส์      ศัพท์วิทยาศาสตร์

พจนานุกรมเสียง 1   แมว    วัว 1    วัว 2    วัว 3   

เหมียว   แกะ     พจนานุกรมภาพการ์ตูน

พจนานุกรมภาพเคลื่อนไหว   ดนตรี  Bullets แบบ JEWEL 

พจนานุกรมภาพต่างๆ  ภาพเคลื่อนไหวของสัตว์ต่างๆ  โลกและอวกาศ

อุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ

 

การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

 

 1. ไฟฟ้าสถิต   2.  สนามไฟฟ้า   3. ความกว้างของสายฟ้า 

4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 

5. ศักย์ไฟฟ้า   6. กระแสไฟฟ้า  7. สนามแม่เหล็ก   8.การเหนี่ยวนำ

9. ไฟฟ้ากระแสสลับ   10. ทรานซิสเตอร์  11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตร์ควอนตัม   

15. โครงสร้างของอะตอม   16. นิวเคลียร์   

17. การสอนไฟฟ้าแม่เหล็กของมหาวิทยาลัยรังสิต

กลับหน้าสารบัญ

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

หนังสืออิเล็กทรอนิกส์