ท่อนาโนคาร์บอน

ท่อนาโนคาร์บอน () 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
 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
 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 Ch (Chiral vector) ที่มีทิศตั้งฉากกับแกนท่อและมีขนาดเท่ากับเส้นรอบวงพอดี เพื่อกำหนดแทนโครงสร้างของท่อ 

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

การม้วน Ch 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 

 C60 and Carbon Nanotubes a short video explaining how nanotubes can be made from modified graphite sheets and the three different types of nanotubes that are formed
 Learning module for Bandstructure of Carbon Nanotubes and Nanoribbons
 Selection of free-download articles on carbon nanotubes
 WOLFRAM Demonstrations Project: Electronic Band Structure of a Single-Walled Carbon Nanotube by the Zone-Folding Method
 WOLFRAM Demonstrations Project: Electronic Structure of a Single-Walled Carbon Nanotube in Tight-Binding Wannier Representation

หมวดหมู่:วัสดุศาสตร์
หมวดหมู่:นาโนเทคโนโลยี