หลอดนาโนคาร์บอน

ขั้นนำ    นักเรียนที่มีความสนใจในเรื่อง "ธาตุ"  ช่วงปิดภาคเรียนลองมาศึกษากันหน่อยดีไหคำถามกระตุ้นสมอง  โมเลกุลคืออะไร ?   คาร์บอน  เป็นชื่อธาตุที่นักเรียนรู้จักดีกว่าธาตุชนิดอื่นๆมันคืออะไรเอ่ย ขั้นสอนแบบสืบค้น (Discovery Instruction)    คำสั่ง  ให้นักเรียนศึกษาใบความรู้ต่อไปนี้ ใบความรู้   ผงสีดำมีค่าถึง 500 ดอลลาห์ ประมาณ 300 เท่าของราคาทองคำ ที่น่าสังเกตก็คือ มันเป็นเขม่าสีดำชนิดพิเศษที่ทำมาจากโมเลกุลที่เรียกว่า หลอดนาโนคาร์บอน หลอดนาโนแต่ละหลอดมีขนาดประมาณ 1 ในพันล้านเท่าของหนึ่ง... บางยิ่งกว่าเส้นของมันเอง การค้นพบนี้ ก่อให้เกิดความตื่นเต้นต่อผู้คนทั่วโลก รวมทั้งนักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบมันด้วย !! Richard E. Smalley : ค.ศ.1943-2005) เป็นศาสตราจารย์ทางเคมีที่มหาวิทยาลัยไวท์ ในฮูสตัน เทกซัส ในปี 1985 เขาและนักเคมีผู้ช่วย โรเบิร์ต เคิร์ล (Robert Curl : ค.ศ.1933-) และ ฮาร์โรลด์ โครโต (Harold Kroto : ค.ศ.1939) กำลังศึกษาภาวะทางเคมีภายนอกอวกาศ โดยใช้เครื่องมือเลเซอร์ที่ก้าวหน้า และกล้องสเปกโตสโคป  พวกเขากำลังค้นหาหลักฐาน ที่จะช่วยเปิดเผยธรรมชาติทางเคมีของสสารในอวกาศ แต่กลับพบบางสิ่งบางอย่างแทน ทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลในสาขาเคมีร่วมกัน ในปี 1996 ในปี 1985 นานกว่า 1 สัปดาห์ทีเดียว ที่เราค้นพบว่า มีกลุ่มอะตอมคาร์บอนกลุ่มพิเศษกลุ่มหนึ่ง ซึ่งมี 60 อะตอมพอดี มันแปลกประหลาดและก็มีความเสถียรมาก เมื่อเปรียบเทียบกับกลุ่มอื่นๆ และเราก็สงสัยว่าทำไม? สมอลลี่ โครโต และเคิร์ล ตั้งชื่อโมเลกุลใหม่นี้ว่า bucky ballsตาม Buckminster Fuller สถาปนิกผู้ออกแบบ geodesic dome. และสิ่งที่พวกเขาค้นพบจริงๆ ก็คือ ระดับชั้นใหม่ทั้งหมดของโมเลกุลคาร์บอนขนาดใหญ่ ซึ่งภายหลังเรียกว่า Fullerenes โมเลกุลยังไม่ลงตัว แม้ว่าอะตอมหลายตัวจะเชื่อมพันธะกันแล้ว มันก็มีคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งที่ พอคุณใส่อะตอมตัวสุดท้ายลงไปมันจึงจะเสร็จสมบูรณ์ (มันเสถียร) ถ้าพวกคุณให้อะตอมอีกตัวหนึ่งให้แก่มัน โดยใช้เครื่องมือที่เราสร้างขึ้น มันก็จะบอกว่า ไม่หละ! ฉันมีความสุขแล้ว และนั่นคือ C60 นี่ก็คือโมเลกุลที่ดูเหมือนว่ามันจะสามารถแสดงให้เห็นภาพของโมเลกุลที่มีความสมมาตรที่สุดเท่าที่เคยค้นพบ ที่สำคัญมันมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางแค่ 1 นาโนเมตร ก็ประมาณ 10 อังสตอม (1 นาโนเมตร คือ 1 ใน 10 ล้านเท่าของ 1 เมตร) ปี 1991 ความสำคัญของฟูลเลอร์รีนยิ่งทวีขึ้นอย่างต่อเนื่อง เมื่อ ซูมิโอะ อิจิมา (Sumio Iijima : ค.ศ.1939) นักวิทยาศาสตร์ที่ NEC คอมเปอร์เรชั่น the NEC Laboratory in Tsukuba, Japan ได้ค้นพบฟูลเลอร์รีนอีกแบบหนึ่ง ที่คล้ายกรงนก อย่างน่าอัศจรรย์ แต่ฟูลเลอร์รีนเหล่านี้ ต่างออกไปเล็กน้อย เพราะมันทำมาจากโมเลกุลกลวงของธาตุคาร์บอนบริสุทธิ์ ที่มีลักษณะเป็นหลอดกลวงไม่มีรอยต่อ แข็งกว่าเหล็กกล้า 6 เท่า แต่มีน้ำหนักเบากว่าถึง 100 เท่า สามารถเป็นตัวนำยวดยิ่งหรือสารกึ่งตัวนำ เป็นต้น จึงเรียกว่า หลอดนาโนคาร์บอน (Carbon nanotube) และเพื่อเป็นเกียรติต่อ สมอลลี่ จึงเรียกว่า หลอดบัคกี้ (Buckytube)  แบบจำลองบัคกี้บอลใหญ่มาก และนี่คือฟูลเลอร์รีนที่มีโครงสร้างชนิดเดียวกัน หรืออาจเรียกว่า บัคกี้แคปซูล  คุณคงจะจินตนาการได้ว่ามันยาวมาก แต่ที่จริงแล้วมันยาวกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางหลายล้านเท่า และวัตถุเหล่านี้มีคุณสมบัติที่เหลือเชื่อมากๆ เช่น เมื่อคุณถือวัตถุพลาสติกอย่างนี้ คุณสามารถฉีกมันได้ง่ายๆ แต่ถ้าคุณถือหลอดบัคกี้แล้วลองดึงมัน จะพบว่า มันเป็นวัตถุที่แข็งที่สุดในจักรวาลเลยทีเดียว แข็งกว่าเหล็ก แข็งกว่าเพชร  ถ้าลองดึงหลอดบัคกี้ดูจะพบว่า สามารถยืดมันออกได้นิดหน่อยก่อนที่มันจะหัก และเราหวังที่จะพบว่ามันรับแรงดึงได้ดีกว่าเหล็กเป็น 100 เท่า มันเป็นเส้นใยที่แข็งแรงที่สุดเท่าที่เคยพบมา และนั่นหมายถึงว่า 1 ล้านปีจากนี้ไป หากถามว่าอะไรคือสิ่งที่แข็งแรงที่สุดในวัตถุที่เป็นไปได้ทั้งหมด สิ่งที่แข็งแรงที่สุดก็คือสิ่งนี้ มันเป็นเพียงคาร์บอน ดังนั้น สามารถนำถ่านหินหรือสิ่งปฏิกูลต่างๆ หรือยางรถยนต์เก่าๆ และดัดแปลงพวกมันให้มันเป็นหลอดบัคกี้ได้ !! หากเราสามารถทำได้อย่างนั้น เราก็สามารถที่จะประกอบโลกใหม่ เราสามารถสร้างสายอิเล็กทรอนิกส์ที่นำประจุไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดง ด้วยน้ำหนักเพียง 1 ใน 6 เท่านั้น แล้วคุณคิดว่า เรื่องแบบนี้มันฟังดูดีเกินกว่าที่จะเป็นความจริงไปได้หรือเปล่า ?? ลองคิดดูว่ามีโอกาสแค่ไหนกันที่จะค้นพบอะไรอย่างนี้ มันคือสิ่งที่น่าทึ่งมากๆ เกี่ยวกับความเข้าใจของเราในทางเคมีและฟิสิกส์ในปัจจุบัน ในความเป็นจริง เราสามารถคำนวณพฤติกรรมของสิ่งต่างๆ ได้ดีมาก ตอนนี้ ความลึกลับของบัคกี้บอลและหลอดเหล่านี้ไม่ลึกลับอีกต่อไป คุณสามารถสร้างได้ มันคือการทดสอบว่าคุณสามารถที่จะสร้างมัน หลอดนาโนคาร์บอนเป็นหนึ่งในเหตุผลที่คำว่า "นาโนเทคโนโลยี" กลายเป็นที่รู้จักกันดี บางคนเรียกมันว่า เป็นการปฏิวัติทางอุตสาหกรรมยุคใหม่ นาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology) หมายถึง การสร้างสิ่งต่างๆ จากการเริ่มต้น เหมือนนาโนมอเตอร์นี้ มันสามารถจะประกอบสิ่งต่างๆ ในระดับอะตอมหรือโมเลกุล เพื่อสร้างสรรค์ผลผลิตและการประยุกต์ใช้งานรุ่นใหม่ๆ ซึ่งแข็งแรงกว่าและมีความละเอียดอ่อนกว่า นี่เป็นยุคใหม่ของโลกเคมี และก็เป็นอนาคตของวิชาเคมีด้วย เราไม่สามารถเก็บอะตอมทุกตัวขึ้นมาด้วยนิ้วของเรา แล้วหลุดไปได้ เราต้องให้อะตอมประกอบตัวเอง และพวกมันต้องมาจากแหล่งอะตอมที่ราคาถูก จึงจะเป็นการมีประสิทธิภาพ สิ่งนี้เราเรียกกันว่า "วิชาเคมี" แน่นอนเราใช้คำว่า "นาโนเทคโนโลยี" แต่มันก็คือสิ่งเดียวกันที่เราตามหา เพื่อที่จะสร้างโครงสร้างที่มีลักษณะเฉพาะ และผลิตซ้ำได้เป็นล้านๆ ครั้งต่อวินาที ด้วยต้นทุนที่ต่ำ และไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม เพื่อให้ได้วัตถุที่เราจะนำไปสร้างบางสิ่งที่เทคโนโลยีอื่นๆ ของเรายังไม่สามารถสร้างขึ้นได้ และถ้าเราทำสำเร็จ มันก็จะเป็นวัตถุที่มีความละเอียดยิ่งยวดเลยทีเดียว ที่สร้างด้วยวิธีเดียวกับที่ธรรมชาติสร้างโมเลกุลของเซลล์สิ่งมีชีวิตทุกๆ ที่ขึ้น เวลาเพียงแค่ 2 ศตวรรษ นับจากยุคที่อะตอมยังมีอยู่แต่ในสมมติฐาน จนกระทั่งเดี๋ยวนี้ เราแทบจะสามารถจับอะตอมและโมเลกุลมารวมกันและทำให้การคิดฝันสร้างเทคโนโลยีใหม่ๆ มีความเป็นไปได้ บรรดาการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่เราได้ชม ช่วยให้สิ่งนี้เกิดขึ้น การสำรวจลึกลงไปภายใต้เปลือกนอกของสรรพสิ่ง คือ โลกแห่งเคมีที่แปรเปลี่ยนโลกใบนี้ ... ขั้นสรุป   1. ครูให้นักเรียนตอบคำถามตามกิจกรรมการเรียนรู้ที่กระตุ้นการคิด คือ  ภายใต้เปลือกโลกที่เราอาศัยอยู่คืออะไร                   แหล่งที่มาของภาพ  https:// www.myfirstbrain.com ที่มา : https://www.sahavicha.com/?name=knowledge&file=readknowledge&id=2049