คาร์บอนที่เป็นแม่เหล็ก

บทความดีๆ จากวิชาการดอทคอมครับ

พอดีมีเวลาอ่านหนังสือบ้างก็เลยได้อ่านรายงานที่ลงในวารสาร Nature ฉบับล่าสุดทางอินเตอร์เนต (18 October 2001, Vol. 413, pages 690 and 716) พอดีมีเรื่องน่าสนใจอยู่เรื่องหนึ่งเลยอยากจะนำมาเสนอน่ะครับ เป็นเรื่องเกี่ยวกับ fullerene (buckyball, C60) ที่มีสมบัติความเป็นแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง การค้นพบในครั้งนี้โดย Makarova และผู้ร่วมงานแสดงให้เห็นว่าสารประกอบอินทรีย์สามารถแสดงสมบัติความเป็นแม่เหล็กได้ จริง ๆ แล้วการแสดงสมบัติความเป็นแม่เหล็กของสารอินทรีย์นี้ได้มีการค้นพบมาหลายปีแล้ว แต่ปรากฎว่าสมบัติความเป็นแม่เหล็กของสารอินทรีย์เหล่านั้นเกิดขึ้นเมื่ออยู่ในสภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำมาก ๆ (0.65-65 K) อุณหภูมีที่ทำให้มีการเรียงตัวกันทางแม่เหล็ก (magnetic ordering) ที่ทำให้สารประกอบเหล่านี้แสดงสมบัติความเป็นแม่เหล็กได้นี้เรียกว่า Tc (critical temperature) ครับ ซึ่งนี้เป็น intrinsic properties ของสารประกอบนั้น ๆ และคำอธิบายถึงตัวแปรต่าง ๆ ที่มีอิทธิพลต่อ Tc ก็ค่อนข้างซับซ้อน แต่ไปหาดูในรายละเอียดได้ครับในหนังสีอประเภท magnetism/molecular magnetism ส่วนสารประกอบในรายงานที่กล่าวถึงนี่เป็นสารประกอบ phase ใหม่ของ fullerene โดยมีการจัดเรียงโครงร่างผลึกเป็นแบบ rhombohedral โดยนักวิจัยเชื่อว่า phase ใหม่นี้เป็น phase ที่เกิดจาก fullerene เกิด polymerization ขึ้น โดยเชื่อว่า polymerized fullerene ที่เกิดขึ้นนี้เป็นผลมาจากการเตรียมสารประกอบที่อุณหภูมิและความดันสูง Tc ของสารประกอบ rhombohedral fullerene นี้สูงถึง 500 K ทีเดียว นั่นก็คือว่าที่อุณหภูมิห้องนั้น สารประกอบชนิดนี้ก็แสดงสมบัติความเป็นแม่เหล็กแล้ว ซึ่งเป็นสารประกอบอินทรีย์ตัวแรกที่แสดงสมบัติเช่นนี้ แต่อย่างไรก็ตามการค้นคว้าวิจัยนี้ก็ทำให้เกิดคำถามใหม่ ๆ ตามมาอันเนื่องมาจากผลการทดลองเช่น ถึงแม้สารประกอบอินทรีย์นี้จะเป็นแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง แต่ว่าขนาดของความเป็นแม่เหล็ก (spontaneous magnetization) นี้มีขนาดเล็กมาก พิจารณาจาก remanent magnetization plot ซึ่งการนำไปใช้ประยุกต์ต่าง ๆ ก็อาจจะยังไม่ทำให้เกิดประโยชน์สูงสุด นอกจากนี้อีกคำถามหนึ่งที่น่าสนใจก็คือ magnetic moments (spins) อยู่ที่ไหน เพราะในการที่สารมีสมบัติความเป็นแม่เหล็ก สารประกอบนั้น ๆ ต้องมี spins หรือ unpaired electrons ที่เรียงตัวกันก่อให้เกิดเป็นแม่เหล็กนั่นเอง (ferromagnetic coupling) ดังนั้นถ้าไม่มี moments หรือ ordered spins สมบัติความเป็นแม่เหล็กก็จะไม่เกิดขึ้น เช่นfullerene ในสภาวะปกติที่มีโครงผลึกแบบ cubic นั้นก็ไม่แสดงสมบัติความเป็นแม่เหล็กแต่อย่างใด (diamagnetic) คำอธิบายที่นักวิจัยอ้างถึงก็คือ ในโครงตะข่ายสองมิติของ rhombohedral fullerene นี้อาจมี defects เกิดขึ้น ทำให้มี unpaired electrons เกิดขึ้นซึ่งอาจเป็นจุดกำเนิดของ magnetic moment ได้ หรือว่าอาจจะมีการเกิด polymerization ที่ใช้อิเลคตรอนเพียงตัวเดียวในโครงตาข่ายนี้ ดังนั้นอิเลคตรอนตัวที่เหลือซึ่งปกติจะ couple กับอิเลคตรอนอีกตัวเกิดเป็นพันธะโควาเลนต์ขึ้นมานั้นก็อาจเป็นจุดกำเนิดของ moment ได้เช่นกัน คำตอบยังไม่เป็นที่สิ้นสุด ดังนั้นก็คงต้องมีการทดลองเพื่อหาคำอธิบายกันต่อไปว่าทำไม fullerene ที่มีโครงผลึกแบบ rhombohedral นี้จึงแสดงสมบัติความเป็นแม่เหล็กได้ที่อุณหภูมิห้อง งานวิจัยชิ้นนี้แสดงให้เห็นได้ดีทีเดียวว่าการวิจัยค้นคว้าเกี่ยวกับแม่เหล็กชนิดใหม่จากสารประกอบทางเคมีชนิดต่าง ๆ เพื่อที่จะนำมาใช้ประโยชน์ในเทคโนโลยีสมัยใหม่นั้นกำลังเป็นเรื่องสำคัญในปัจจุบัน อีกทั้งยังแสดงให้เห็นว่างานวิจัยทางเคมีสามารถเอื้อประโยชน์และขยายขอบเขตของการค้นคว้าทางวัสดุและเทคโนโลยีในปัจจุบันอีกด้วย อ้อใน Nature ฉบับเดียวกันนี้เองก็มีรายงานเกี่ยวกับเรี่อง packaging DNA by bacteriophage portal motor ด้วยครับ ผมคิดว่าเป็นเรื่องที่น่าสนใจอีกเรื่องหนึ่งเหมือนกันแต่ผมก็ไม่มีความรู้มากพอ ใครที่พอทราบเกี่ยวกับเรื่องนี้และหา Nature อ่านได้จะกรุณาช่วยขยายความให้ผู้อ่านในห้องเด็กวิทย์อ่านกันก็คงจะดีนะครับ

ฟลูเลอรีนคืออะไร

คาร์บอน (carbon) เป็นธาตุที่นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาอย่างละเอียด และลึกซึ้งที่สุดธาตุหนึ่ง เพราะมันเป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดในโลก เราทุกคนคงเคยเรียนและรู้ว่าอะตอมของคาร์บอนนั้นมีการจัดเรียงตัวกันได้สองรูปแบบ คือ แบบรูป 6 เหลี่ยมด้านเท่ากับแบบพีระมิด และเราก็รู้อีกว่าสารที่มีโครงสร้างเป็นรูปแบบแรกนั้น ได้แก่ กราไฟท์ (graphite) ส่วนสารที่มีโครงสร้างเป็นรูปแบบหลังนั้นได้แก่ เพชร (diamond)

แต่แล้วในปี พ.ศ. 2528 นักเคมีก็ได้พบโมเลกุลของคาร์บอนที่มีการจัดเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนในลักษณะใหม่ วงการวิทยาการทั่วโลกกำลังฮือฮา ตื่นตัว และวุ่นวิจัยศักยภาพและสมบัติต่างๆ ของโมเลกุลรูปแบบใหม่นี้อย่างทุ่มเทสุดๆ

โมเลกุลที่ว่านี้ มีชื่อเป็นทางการว่า buckminster fullerene และมีชื่อเล่นว่า buckyball เพราะมันมีลักษณะกลมคล้ายโดม geodesic ที่สถาปนิกชาวอเมริกัน R. Buckminster fullerene ประดิษฐ์ขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2497 นักวิทยาศาสตร์ได้พบว่าโมเลกุลนี้หนึ่งโมเลกุล มีอะตอมของคาร์บอนเรียงรายที่ผิวเป็นรูป 6 เหลี่ยมบ้าง 5 เหลี่ยมบ้าง และถ้าจำนวนอะตอมของคาร์บอนทั้งหมดเป็น 60 มันจะมีสูตรทางเคมีว่า C₆₀ และถ้าโมเลกุลนั้นจะมีคาร์บอน 70 อะตอม มันก็จะมีสูตรเป็น C₇₀ เช่นนี้เป็นต้น

นักเคมีได้รู้ว่า โครงสร้างโมเลกุลของ benzene ซึ่งมีอะตอมของคาร์บอน 6 อะตอมตั้งแต่ปี พ.ศ. 2368 และจากโมเลกุลที่มีขนาดเล็กนั้น นักเคมีก็สามารถสังเคราะห์สารต่างๆ ได้มากมายจำนวนนับไม่ถ้วน ตั้งแต่แอสไพรินจนกระทั่งยันสีทาบ้าน มาบัดนี้ พ.ศ.นี้ เรามี buckyball ซึ่งมีอะตอมของคาร์บอนถึง 60 อะตอม โอกาสการใช้และความเป็นไปได้ที่จะสังเคราะห์สารประกอบต่างๆ ก็ต้องมีมากกว่าเบนซินเป็นร้อยเป็นล้านเท่าเป็นธรรมดา และขณะนี้ buckyball ก็กำลังวาดลวดลายสร้างความตื่นเต้นให้กับวงการวิชาการทุกวงการ เช่น

นักวิจัยได้พบว่า C₆₀ เป็นโมเลกุลที่เสถียร ดังนั้นเวลาเราเอาอะตอมของธาตุที่เป็นกัมมันตรังสีบรรจุเข้าที่ใจกลางของโมเลกุล เราสามารถจะใช้มัน เป็นยาที่มีศักยภาพในการต่อสู้มะเร็งร้ายได้ และถ้าเรานำ C₆₀ มาเรียงต่อกันเป็นสายสร้อยยาว เราก็จะได้พลาสติกชนิดใหม่ที่แข็งแรง และทนทานกว่าพลาสติกธรรมดาๆ หลายเท่า เรายังสามารถใช้ C₆₀ ในอุตสาหกรรมทำแบตเตอรี่ และใช้เป็นเชื้อเพลิงในจรวดก็ยังได้ เพราะ C₆₀ สามารถให้พลังงานได้มากกว่าเบนซินทั่วไป นักฟิสิกส์ยังได้พบว่า หากเขาลดอุณหภูมิของ buckyball ให้ต่ำจนกระทั่งถึงอุณหภูมิ -250 องศาเซลเซียสแล้ว buckyball ก็จะเปลี่ยนสภาพเป็นสารตัวนำยิ่งยวดที่อนุญาตให้กระแสไฟไหลผ่านได้ดีวิเศษแบบไร้ความต้านทานใดๆ อีกด้วย

และเมื่อเร็วๆ นี้นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถสังเคราะห์โมเลกุลของคาร์บอนที่มีขนาดใหญ่กว่า C₆₀ ได้อีกเป็นจำนวนมากมาย เช่น C₇₀ ที่มีลักษณะคล้ายลูกรักบี้ C₂₄₀, C₅₄₀ (super fullerene) และ C₉₆₀(hyper fullerene) อภิมหาโมเลกุลเหล่านี้จะมีบทบาท ในชีวิต สังคม เทคโนโลยี ในอนาคตเพียงใด และในสภาพใดนั้นคงไม่มีใครทำนายได้ แต่ที่มั่นใจและไม่ห่วงเลยก็คือว่า มันจะมีอิทธิพลและบทบาทต่อชีวิตมนุษย์มากๆ ขึ้น ตามกาลเวลาที่ผ่านไป

ขณะนี้ R. Smalley แห่ง Rice University และ H. Kroto แห่ง Sussex University กำลังรับรางวัลต่างๆ มากมายสำหรับการค้นพบ buckyball โมเลกุลมหัศจรรย์นี้ และในปี พ.ศ. 2539 รางวัลที่เป็นที่สุดของที่สุดก็ได้มาถึงเขาทั้งสอง เมื่อเขาทั้งคู่ได้เดินทางไป Stockholm เพื่อรับรางวัล Nobel

ปัจจุบันได้มีผู้นำ Fullerene ไปผลิตเป็นเวชสำอางค์ Antioxidant เช่น SAL F+APP เป็นต้น

ที่มา www.ipst.or.th และ วิชาการดอทคอม และ Maproud