Carbon Nanotubes (CNT) คืออะไร
Carbon Nanotubes (CNT) หรือท่อนาโนคาร์บอน คือโครงสร้างทรงกระบอกที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนเรียงตัวเป็นแผ่นกราฟีนม้วนเป็นท่อ มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางในระดับนาโนเมตร (1 นาโนเมตร = 1 ส่วนพันล้านของเมตร) ท่อนาโนคาร์บอน ถือเป็นหนึ่งในวัสดุที่แข็งแรงและมีคุณสมบัติพิเศษที่สุดที่มนุษย์เคยค้นพบ
ประวัติและการค้นพบ
การค้นพบที่ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายคือในปี 1991 โดย ดร. สุมิโอะ อิจิมะ (Sumio Iijima) นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นจากบริษัท NEC ที่สังเกตเห็นโครงสร้าง nanotube carbon ขณะศึกษาผลพลอยได้จากการสังเคราะห์ฟูลเลอรีน
อย่างไรก็ตาม มีหลักฐานว่านักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียได้เคยสังเกตโครงสร้างคล้ายท่อนาโนคาร์บอนมาก่อนหน้านี้แล้วในทศวรรษ 1950-1970 แต่งานของอิจิมะได้นำเสนออย่างชัดเจนและเป็นที่ยอมรับในวงการวิทยาศาสตร์สมัยใหม่
โครงสร้างของคาร์บอนนาโนทิวบ์ (Carbon Nanotubes)
คาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNTs) คือวัสดุนาโนที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนในรูปแบบท่อขนาดเล็ก ซึ่งเกิดจากการม้วนแผ่นกราฟีนให้เป็นทรงกระบอก ท่อเหล่านี้สามารถมีได้ทั้งแบบชั้นเดียวหรือหลายชั้น โดยมีลักษณะพันธะ π เหมือนกับกราฟีน ทำให้อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วโครงสร้าง ส่งผลให้มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและความแข็งแรงที่โดดเด่น
ประเภทของคาร์บอนนาโนทิวบ์
- คาร์บอนนาโนทิวบ์แบบหลายชั้น (Multi-Walled Carbon Nanotube: MWCNT) ประกอบด้วยกราฟีนหลายชั้นซ้อนกันเป็นท่อซ้อนท่อ มีความแข็งแรงสูงและเหมาะสำหรับการใช้งานทั่วไป
- คาร์บอนนาโนทิวบ์แบบชั้นเดียว (Single-Walled Carbon Nanotube: SWCNT) มีโครงสร้างเป็นกราฟีนชั้นเดียวที่ม้วนเป็นท่อ มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและความยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยม
- คาร์บอนนาโนทิวบ์แบบสองชั้น (Double-Walled Carbon Nanotube: DWCNT) เป็นโครงสร้างที่มีสองชั้น ให้ความสมดุลระหว่างความแข็งแรงและคุณสมบัติทางไฟฟ้า
- คาร์บอนนาโนทิวบ์แบบชั้นเดียวที่ผ่านการปรับแต่งด้วยหมู่คาร์บอกซิล (COOH Functionalized SWCNT) มีการเติมหมู่ฟังก์ชัน COOH เพื่อเพิ่มความสามารถในการจับกับสารอื่น เหมาะสำหรับงานวิจัยและการใช้งานเฉพาะทาง
- คาร์บอนนาโนทิวบ์แบบหลายชั้นที่ผ่านการปรับแต่งด้วยหมู่คาร์บอกซิล (COOH Functionalized MWCNT) เพิ่มความสามารถในการใช้งานร่วมกับวัสดุอื่น เช่น พอลิเมอร์หรือสารชีวภาพ
ขนาดและคุณสมบัติของคาร์บอนนาโนทิวบ์
จำนวนชั้นของคาร์บอนนาโนทิวบ์มีผลต่อชื่อเรียกและคุณสมบัติของวัสดุ โดยทั่วไป CNTs มีความยาวในระดับไมครอน และมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในและภายนอกในระดับนาโนเมตร ทำให้สามารถนำไปใช้ในงานวิจัย วัสดุอิเล็กทรอนิกส์ และการพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูงได้หลากหลาย
คาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNTs) เป็นวัสดุนาโนที่มีชื่อเสียงในด้านคุณสมบัติทางแสง ไฟฟ้า และกลศาสตร์ที่ยอดเยี่ยม โครงสร้างตาข่ายหกเหลี่ยมในระดับนาโนของ CNTs ทำให้เกิดคุณสมบัติเด่นหลายประการ ได้แก่:
- การนำไฟฟ้าสูง
อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างได้อย่างง่ายดาย เนื่องจากมีการกระจายตัวของอิเล็กตรอนทั่วโครงสร้าง
- ความเสถียรสูง
CNTs มีความเสถียรทั้งทางความร้อนและทางกลศาสตร์ ทนต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและแรงกดดันจากภายนอกได้ดี
- ความหนาแน่นต่ำ
มีน้ำหนักเบา จึงใช้ปริมาณน้อยในการใช้งานแต่ละประเภท ช่วยลดน้ำหนักโดยรวมของวัสดุหรืออุปกรณ์
- พื้นที่ผิวจำเพาะสูง
ส่งผลให้มีศักยภาพในการดูดซับสารต่าง ๆ ได้ดี เช่น ตะกั่ว ไอออนโลหะหนัก สีย้อม และสารประกอบอื่น ๆ
นอกจากคุณสมบัติด้านการนำไฟฟ้าและความแข็งแรงเชิงกลที่โดดเด่นแล้ว ท่อนาโนคาร์บอนยังมีความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนและการเสื่อมสภาพจากสารเคมีบางชนิด จึงเหมาะสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีสารปนเปื้อนเข้มข้น เช่น อุตสาหกรรมเคมีและระบบบำบัดน้ำเสีย อีกทั้งยังสามารถนำไปใช้เป็นส่วนประกอบในวัสดุอัจฉริยะที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก เช่น ความร้อน แรงดัน หรือสนามแม่เหล็ก ซึ่งช่วยเปิดทางสู่การพัฒนาอุปกรณ์ใหม่ ๆ ในด้านนาโนเทคโนโลยีและวิศวกรรมวัสดุขั้นสูง
ในภาคพลังงานและสิ่งแวดล้อม วัสดุนาโนชนิดนี้มีบทบาทสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง การผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีความจุสูงขึ้น และการสร้างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่สามารถเก็บและจ่ายพลังงานได้อย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ยังถูกนำไปใช้ในระบบกรองอากาศและน้ำเสีย เพื่อช่วยลดมลพิษและยกระดับคุณภาพชีวิตในพื้นที่อุตสาหกรรมหรือชุมชนที่มีความเสี่ยงจากสารพิษ
ด้วยโครงสร้างระดับนาโนที่สามารถปรับแต่งได้ ท่อนาโนคาร์บอนจึงถูกออกแบบให้ตอบโจทย์การใช้งานเฉพาะทางได้หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นการเสริมความแข็งแรงให้กับวัสดุ การนำส่งยาในระดับเซลล์ หรือการสร้างอุปกรณ์ตรวจวัดที่มีความไวสูง ความยืดหยุ่นนี้ทำให้วัสดุนาโนคาร์บอนเป็นหนึ่งในตัวเลือกที่มีศักยภาพสูงสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีแห่งอนาคต โดยเฉพาะในยุคที่ความต้องการวัสดุอัจฉริยะและโซลูชันที่ยั่งยืนกำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว
การใช้งานและประโยชน์ของคาร์บอนนาโนทิวบ์ (Carbon Nanotube)
ปัจจุบันคาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNTs) เป็นวัสดุนาโนที่ได้รับความนิยมสูง และถูกนำไปใช้ในหลากหลายอุตสาหกรรม การวิจัยเกี่ยวกับ CNTs เป็นความร่วมมือระหว่างหลายสาขาวิชา เช่น ฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา การแพทย์ วิทยาศาสตร์วัสดุ และวิศวกรรมศาสตร์ โดย CNTs สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ในด้านต่าง ๆ ดังนี้:
- อุตสาหกรรมชิ้นส่วนยานยนต์
เพิ่มความแข็งแรงและลดน้ำหนักของวัสดุ
- อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์
ใช้ในวงจรไฟฟ้า แบตเตอรี่ และซุปเปอร์คาปาซิเตอร์
- เทคโนโลยีโฟโตโวลตาอิก (Photovoltaic หรือ PV)
เช่น แผงโซลาร์เซลล์ ไฟ LED เซนเซอร์ ทรานซิสเตอร์ อุปกรณ์ปล่อยสนามเช่นฟิลด์อิมิตเตอร์ เซลล์เชื้อเพลิง และแอคชูเอเตอร์ (อุปกรณ์ที่ทำให้เกิดการเคลื่อนไหว)
- นำไปใช้เป็นวัสดุดูดซับ
ใช้ในการดูดซับสารพิษ โลหะหนัก และสารเคมีต่าง ๆ
- นำไปใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalysts)
เพิ่มประสิทธิภาพในกระบวนการเคมี
- ชีวการแพทย์
เช่น การนำส่งยา การตรวจวัดชีวภาพ การสร้างภาพชีวภาพ หุ่นยนต์นาโน การบำบัดยีน และการฟื้นฟูเนื้อเยื่อ
- การเกษตร
ใช้ในกระบวนการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม (bioremediation) และการบำบัดน้ำ
นอกจากนี้ CNTs ยังสามารถผสมกับวัสดุอื่นเพื่อสร้างนาโนคอมโพสิต (nanocomposite) ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ ตัวอย่างเช่น การผลิตชุดกีฬา หรือวัสดุที่ใช้ในการป้องกันแรงกระแทก เช่น เสื้อกันกระสุน
อนาคตของเทคโนโลยี CNTs
เทคโนโลยี carbon nanotube กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว ความท้าทายหลักคือการลดต้นทุนการผลิต การควบคุมคุณภาพให้สม่ำเสมอ และการผลิตในระดับอุตสาหกรรม เมื่อเทคนิคการผลิตพัฒนาขึ้นและราคาลดลง CNTs จะกลายเป็นวัสดุสำคัญในอุตสาหกรรมต่างๆ มากขึ้น
ด้วยคุณสมบัติพิเศษที่ไม่เหมือนใครและศักยภาพการประยุกต์ใช้ที่กว้างขวาง carbon nanotube (cnts) จึงถือเป็นหนึ่งในนวัตกรรมวัสดุที่สำคัญที่สุดของศตวรรษที่ 21 และจะมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคต
แหล่งข้อมูลอ้างอิง
Ossila. Carbon Nanotube: Uses, Structure and Properties. เข้าถึงได้จาก https://www.ossila.com/pages/what-are-carbon-nanotubes
NEC. The Discovery and Future of Carbon Nanotube – Sumio Iijima. เข้าถึงได้จาก https://www.nec.com/en/global/rd/special/202007/index.html
Cheap Tubes. Carbon Nanotube Properties and Applications. Retrieved from https://www.cheaptubes.com/carbon-nanotubes-properties-and-applications/
บทความที่เกี่ยวข้อง
จาก CNTs สู่กราฟีน: เส้นทางของวัสดุนาโนในอนาคต
คาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNTs) และกราฟีนต่างเป็นวัสดุนาโนที่มีโครงสร้างพื้นฐานจากอะตอมของคาร์บอน โดย CNTs เกิดจากการม้วนแผ่นกราฟีนให้เป็นท่อ ในขณะที่กราฟีนเป็นแผ่นบางระดับอะตอมที่มีโครงสร้างหกเหลี่ยมแบบสองมิติ
กราฟีนได้รับการขนานนามว่าเป็น “วัสดุมหัศจรรย์” เนื่องจากมีคุณสมบัติทางไฟฟ้า ความแข็งแรง และความโปร่งใสที่เหนือชั้น ทำให้เป็นที่สนใจในงานวิจัยและการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น เซนเซอร์นาโน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และวัสดุกรองขั้นสูง
ในขณะที่ CNTs เหมาะกับการใช้งานที่ต้องการโครงสร้างสามมิติและความแข็งแรงสูง กราฟีนกลับโดดเด่นในด้านการนำไฟฟ้าและความบางเฉียบ การพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุนาโนในอนาคตจึงมุ่งเน้นไปที่การผสานคุณสมบัติของทั้งสองวัสดุ เพื่อสร้างโซลูชันใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงและตอบโจทย์การใช้งานที่หลากหลาย