ท่อนาโนคาร์บอน

ท่อนาโนคาร์บอน (อังกฤษ: Carbon nanotubes) คือ วัสดุที่มีรูปทรงเป็นท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางในระดับนาโนเมตร ผนังท่ออาจมีเพียงแค่ชั้นเดียว (Single-walled) หรือหลายชั้น (Multi-walled) ซึ่งประกอบขึ้นจากอะตอมของธาตุคาร์บอนเพียงธาตุเดียว ค้นพบครั้งแรกเมื่อปี 1991 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นชื่อ Sumio Iijima ปัจจุบันพบว่ามีสมบัติที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์หลายด้าน เช่น ทำเส้นใยเสริมความแข็งแกร่งในวัสดุคอมพอสิท ทำอิเล็กโทรดเพิ่มกำลังไฟและอายุการใช้งานในแบตเตอรี และตัวเก็บประจุ เป็นต้น ท่อนาโนคาร์บอนมีโครงสร้างและสมบัติหลากหลายซึ่งขึ้นกับวิธีที่ใช้ในการสังเคราะห์

วิธีการสังเคราะห์

การสังเคราะห์ท่อนาโนคาร์บอนนั้น มีหลายวิธี ซึ่งแต่ละวิธีก็มีข้อดีและข้อเสียต่างกันไป ทั้งในด้านของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง ความยาว ปริมาณ คุณภาพ และความบริสุทธิ์ของท่อนาโนคาร์บอนที่ได้ โดยทั่วไปแล้วอาจแบ่งออกเป็น 3 วิธีหลักๆ ได้แก่

 

วิธีตกสะสมไอเคมี

• ตกสะสมไอเคมี (Chemical vapor deposition คำย่อ: CVD)

โดยการผ่านไอหรือแก๊สของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนซึ่งใช้ทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดคาร์บอน เช่น มีเทน (CH₄) คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) อะเซทิลีน (C₂H₂) และเอทานอล (C₂H₅OH) เป็นต้น เข้าไปในเตาเผาที่มีอุณหภูมิประมาณตั้งแต่ 600-1200 °C ซึ่งต้องมีอนุภาคนาโนของโลหะคะตะลิสต์อยู่บริเวณนั้นด้วย ทำให้โมเลกุลของแก๊สให้แตกตัว (Decomposed) ออกเป็นอะตอมของคาร์บอน โดยการควบคุมอุณหภูมิ ความดัน อัตราการไหลของแก๊ส สัดส่วนอะตอมของธาตุ C:O:H ในระบบ การคุมขนาดของอนุภาคคะตะลิสต์ และระยะเวลาในการสังเคราะห์ สามารถกำหนดขนาด ความยาว ทิศทางการเติบโต และตำแหน่งที่ต้องการปลูกของท่อนาโนคาร์บอนได้ แต่อาจมีข้อเสียที่ปริมาณข้อบกพร่องหรือความไร้ระเบียบของโครงสร้างสูง ทำให้ท่อที่สังเคราะห์ได้โดยวิธีนี้มักเป็นท่อโค้งงอ

 

วิธีอาร์คดิสชาร์จ

• อาร์คดิสชาร์จ (Arc-discharge)

ใช้ไฟฟ้ากระแสตรงตั้งแต่ 20-200 แอมแปร์ ที่ความต่างศักย์ประมาณ 20-40 โวลต์ ตกคร่อมแท่งแกรไฟต์สองแท่งที่วางจ่อใกล้ๆ กัน โดยให้ระยะห่างระหว่างปลายแท่งประมาณ 1-3 มิลลิเมตร ภายใต้บรรยากาศแก๊สเฉื่อย เช่น ฮีเลียม หรือ อาร์กอน ที่ความดันต่ำระหว่าง 100-500 Torr จนทำให้เกิดเป็นสถานะพลาสมา และมีอุณหภูมิสูงบริเวณระหว่างขั้วอิเล็กโทรด ส่งผลให้แท่งแกรไฟต์ระเหยกลายเป็นไอแล้วมีการควบแน่นกลายเป็นท่อนาโนคาร์บอน บริเวณปลายแท่งแกรไฟต์ที่ต่อกับขั้วลบ (Cathode) การควบคุมขนาดหรือจำนวนชั้นของท่อนาโนคาร์บอน สามารถทำโดยการควบคุมความดัน อุณหภูมิ และการเติมผงโลหะคะตะลิสต์ปริมาณเล็กน้อย เช่น เหล็ก นิกเกิล หรือโคบอลต์ อย่างใดอย่างหนึ่ง หรือผสมกันลงในแท่งแกรไฟต์ที่ต่อกับขั้วบวก (Anode)

 

• ระเหยด้วยเลเซอร์ (Laser vaporization)

วิธีนี้จะใช้พัลล์แสงเลเซอร์ที่มีความเข้มแสงสูงยิงไปยังเป้าซึ่งเป็นแกรไฟต์ผสมกับผงโลหะคะตะลิสต์ ภายใต้บรรยากาศของแก๊สเฉื่อย ที่ความดันต่ำประมาณ 500 Torr และอุณหภูมิ 1200 °C เทคนิคนี้คล้ายกับวิธีอาร์คดิสชาร์จ ซึ่งจะได้ปริมาณและคุณภาพของท่อนาโนคาร์บอนดีกว่า แต่มีข้อเสียที่ จำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์กำลังสูง และมีราคาแพงมาก

การนำไฟฟ้าขึ้นกับโครงสร้าง

ท่อนาโนคาร์บอนมีโครงสร้างเป็นแผ่นแกรไฟต์ม้วนเป็นท่อไร้ตะเข็บ มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางได้หลายขนาด มีรูปแบบการเรียงตัวของหกเหลี่ยมเทียบกับแนวเส้นรอบวงของท่อได้ 3 แบบ ดังนั้นจึงได้มีการกำหนดเวกเตอร์ C_h (Chiral vector) ที่มีทิศตั้งฉากกับแกนท่อและมีขนาดเท่ากับเส้นรอบวงพอดี เพื่อกำหนดแทนโครงสร้างของท่อ

เวกเตอร์ a₁ และ a₂ มีขนาดเท่ากันคือ 0.246 นาโนเมตร ทำมุมต่อกัน 60 องศา ส่วน C_h = na₁ + ma₂ หรือเขียนอย่างย่อคือ (n,m) เมื่อ n และ m คือจำนวนเต็ม มีทิศตามแนวเส้นประ (ดูรูปด้านขวา) และมีขนาดเท่ากับ 0.246 x (n² + nm + m ² ) ^1/2 นาโนเมตร

การม้วน C_h เป็นเส้นรอบวงโดยให้ตำแหน่งปลายลูกศร (n,m) ซ้อนทับกับตำแหน่งเริ่มต้น (0,0) พอดี จะได้ลักษณะท่อ 3 แบบ คือ (1) Armchair (n,n) และมี ө = 30 , (2) Chiral (n,m) โดยที่ 0 > ө < 30 และ (3) Zigzag (n,0) มี ө = 0 ถ้าหาก (n-m) หารด้วย 3 ลงตัว ได้ท่อที่นำไฟฟ้าแบบโลหะ (Metallic type) แต่ถ้าเหลือเศษ 1 หรือ 2 ได้ท่อที่นำไฟฟ้าแบบกึ่งตัวนำ (Semiconducting type)

ดังนั้นในจำนวน 1/3 ของโครงสร้างที่เป็นไปได้ทั้งหมดจะนำไฟฟ้าได้ดีแบบโลหะ และที่เหลืออีก 2/3 นำไฟฟ้าแบบกึ่งตัวนำ หากพิจารณาเฉพาะโครงสร้างแบบ Armchair หรือเฉพาะกรณีที่ n=m จะได้ท่อทุกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางนำไฟฟ้าแบบโลหะ

ตัวอย่างการประยุกต์

ท่อนาโนคาร์บอนสามารถนำไประยุกต์ในหลายๆ ด้าน เช่น หัวจ่ายอิเล็กตรอน วัสดุผสมพลาสติกให้นำไฟฟ้า ตัวกักเก็บเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ตัวผสมกาวต่อเชื่อมชนิดนำไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล หัววัดแก๊ส หัววัด AFM ขั้วอิเล็กโตรดของแบตเตอรีชนิดลิเทียมในโทรศัพท์มือถือ วัสดุถ่ายเทความร้อน วัสดุเสริมความแกร่งในนาโนคอมพอสิท เส้นใยและสิ่งทอ ตัวรองรับคะตะลิสต์ และการประยุกต์ทาง Biomedical เป็นต้น

ดูเพิ่ม

• นาโนเทคโนโลยี
• วัสดุนาโน

แหล่งข้อมูลอื่น

• ท่อนาโนคาร์บอน วัสดุแห่งศตวรรษที่ 21