Carbon Nanotubes: อดีต ปัจจุบัน และอนาคต

ในปี ค.ศ. 1976 Prof. Morinobu Endo ได้ค้นพบวิธีการสังเคราะห์เส้นใยคาร์บอนที่ขนาดอยู่ในระดับนาโนเมตร หลังจากนั้นอีกสิบปีต่อมา ในปี ค.ศ. 1985 นักวิทยาศาสตร์สามท่าน Prof. Richard Smalley, Prof. Harry Kroto และ Prof. Robert Curl (ทั้งสามท่าน ได้รับรางวัล Nobel สาขาเคมี ในปี ค.ศ. 1996)  ได้ค้นพบโครงสร้างของคาร์บอนที่มีขนาดเล็กและเรียกมันว่า ‘Fullerene’ ซึ่งมีรูปร่างหลายแบบ ไม่ว่าจะเป็นทรงกลม (buckyballs) ท่อ (nanotubes) ในปี ค.ศ. 1991 Carbon Nanotubes (CNTs) ได้ถูกสร้างขึ้นโดยวิธี อาร์คดิสชาร์จ (Arc Discharge) จากนักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น Prof. Sumio Iijima หลักจากนั้นเป็นต้นมา CNTs ก็ได้รับความสนใจจากนักวิจัยทั่วทุกมุมโลก โดยกล่าวว่านี้คือวัสดุแห่งอนาคต

ในยุคแรกของการพัฒนา CNTs นั้นงานวิจัยส่วนใหญ่เน้นไปที่การพัฒนากระบวนสังเคราะห์ CNTs ซึ่งมีทั้งแบบ Single Wall และ Multi-Walls การควบคุมกระบวนการสังเคราะห์ โดยมีวิธีที่โดดเด่นอยู่ 2 วิธีด้วยกันคือ Chemical Vapour Deposition (CVD) และ Arc Discharge ทั้งสองวิธีนั้นแตกต่างจากวิธีอื่นๆ ตรงที่สามารถผลิต CNTs ได้ในระดับปริมาณมาก และเหมาะกับการนำไปใช้ในภาคอุตสาหกรรม

หลังจากผ่านยุคการพัฒนาการสังเคราะห์ CNTs ก็เข้าสู่ช่วงการศึกษาสมบัติ และความเป็นไปได้ในการประยุกต์ใช้ CNTs โดยในปี ค.ศ. 1997 นักวิจัยจาก Delft University และ UC Berkley สามารถนำ CNTs มาทำเป็นทรานซิสเตอร์ ซึ่งต่อมาในปี ค.ศ. 2003 บริษัท NEC ได้ประกาศว่าประสบความสำเร็จในการผลิตทรานซิสเตอร์จาก CNTs ซึ่งให้ประสิทธิภาพดีกว่าทรานซิสเตอร์ที่มีอยู่ในเวลานั้นมากกว่า 10 เท่า CNTs นั้นมีสมบัติที่โดดเด่นมากในหลายๆ ด้าน เช่น มีการนำไฟฟ้าที่ดีมาก มีขนาดเล็ก มีพื้นที่ผิวสัมผัสที่มากกว่าวัสดุทั่วไป มีความแข็งแรง ทนทาน ยืดหยุ่นสูง และมีน้ำหนักเบา จึงทำให้มีการนำ CNTs มาใช้งานในหลากหลายด้าน

ในปัจจุบัน งานวิจัยส่วนใหญ่ ณ ปัจจุบัน จึงเป็นการวิจัยเพื่อนำ CNTs มาประยุกต์ใช้งานจริง ในปี ค.ศ. 2005 จักรยานที่มีโครงที่ทำจากโลหะผสมกับ CNTs ผลิตโดยบริษัท BMC Switzerland ได้ถูกนำมาใช้ในการแข่งขัน Tour de France ซึ่งโครงจักรยานนี้มีน้ำหนักน้อยกว่า 1 กิโลกรัม นับเป็นการฉีกกฎการผลิตโครงจักรยานที่แต่เดิมจะผลิตจากโลหะที่มีน้ำหนักมากเพราะต้องการความแข็งแรง หลักจากนั้นก็ได้มีการนำ CNTs มาใช้กับวัสดุผสมกันอย่างแพร่หลาย โดยในช่วงแรกยังอยู่กับอุปกรณ์กีฬา เช่น ไม้กอล์ฟ ไม้เทนนิส และไม้แบดมินตัน เป็นต้น ไม่เพียงแต่อุปกรณ์อุปกรณ์กีฬาเท่านั้น แต่งานวิจัยทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ CNTs ได้เข้ามามีบทบาทอย่างมาก ไม่ว่าจะเป็นการนำมาใช้เป็นสารกึ่งตัวนำยิ่งยวด ทรานซิสเตอร์ในวงจรไอซี ตัวนำไฟฟ้าขนาดนาโน และตัวเก็บประจำ

ในอนาคต CNTs จะเข้ามาบทบาทกับชีวิตมนุษย์มากขึ้น เพราะจะถูกนำมาใช้งานเป็นวัสดุชีวภาพที่ใช้ในร่างกายมนุษย์ เช่น กระดูก ข้อต่อร่างกาย และเป็นตัวนำยา (Drug Delivery) เพื่อให้ยาออกฤทธิ์ ณ จุดที่ต้องการ นอกจากนี้ยังมีความเป็นไปได้ที่จะมีการนำ CNTs มาประยุกต์ใช้ทางด้านสิ่งแวดล้อม เช่น การนำมาใช้ในการบำบัดน้ำ และการกำจัดสารพิษในสิ่งแวดล้อม หรือการฟื้นฟูสภาพแวดล้อมโดยใช้ CNTs เป็นตัวดูดซับสารปนเปื้อนจากแหล่งที่มีการปนเปื้อน เป็นต้น

ในส่วนของประเทศไทย Prof. Morinobu Endo ได้กล่าวไว้ว่า การที่ประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรมนั้นทำให้ประเทศไทยมีทรัพยากรชีวภาพ รวมถึงขยะและวัสดุเหลือใช้ทางการเกษตร เป็นจำนวนมาก ซึ่งสิ่งเหล่านี้ล้วนมีคาร์บอนองค์ประกอบหลักทั้งสิ้น ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้ที่จะทำการเปลี่ยนขยะเหล่านี้ให้กลายเป็นวัสดุนาโนที่มีค่า และปัญหาสิ่งแวดล้อม เช่นการปนเปื้อนสารพิษตามพื้นที่อุตสาหกรรม อาจมีการนำ CNTs มาช่วยในการแก้ปัญหาดังเกล่าได้

สำหรับประเทศไทยนั้นการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิต CNTs อาจเป็นการตกขบวนรถไฟไปแล้ว แต่ว่าทางเลือกในการพัฒนาวัสดุนาโนจากของเหลือใช้ทางการเกษตรและขยะชีวภาพยังเปิดกว้าง และเป็นแนวทางใหม่ อีกทั้งประเทศไทยเป็นประเทศที่ผลิตรถยนต์มากเป็นอันดับต้น ๆ ของโลก จึงมีความเป็นไปได้อย่างสูงที่จะมีการนำ CNTs มาประยุกต์ใช้งานในชิ้นส่วนรถยนต์ ในทางการแพทย์นั้น วัสดุชีวภาพก็เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่น่าสนใจเพราะยังมีผู้ผลิตไม่มากรายนัก ดังนั้นแล้วโอกาสจึงเปิดกว้างสำหรับภาคอุตสาหกรรมในไทย รวมถึงการนำมาใช้ประโยชน์ในด้านยาและเป็นตัวนำยาอีกด้วย

ทางด้านพลังงานในปัจจุบันพลังงานแสงอาทิตย์กำลังได้รับการสนับสนุนอย่างมากจากภาครัฐ แต่เป็นทราบกันดีว่าเซลล์แสงอาทิตย์นั้นต้องการแดด แต่ไม่ชอบความร้อน ความร้อนและอุณหภูมิที่สูงนั้นจะส่งผลให้เซลล์แสงอาทิตย์มีประสิทธิภาพลดลงอย่างมาก CNTs ซึ่งมีความสามารถในการนำความร้อนที่ดีเยี่ยมอาจถึงนำประยุกต์กับแผงเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อช่วยลดอุณหภูมิและเพิ่มประสิทธิภาพได้อีกด้วย

Prof. Richard Feynman ได้กล่าวไว้ว่า “There’s Plenty of Room at the Bottom” แน่นอนยังเหลือที่ว่างอีกมากมายให้เราพัฒนา ศึกษา รวมถึงต่อยอดในเชิงพาณิชย์ต่อไปได้สำหรับ CNTs