Buckminsterfullerene

ในปี ค.ศ. 1996 Smalley และคณะได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี จากผลงานการวิจัยค้นพบโครงสร้างรูปแบบใหม่ของคาร์บอนที่เรียกว่า Buckminsterfullerene
หลายปีที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ได้ทำสิ่งที่น่าตื่นเต้นที่เหมือนเป็นการปฏิวัติโลกวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะในทางเคมีนั้น ได้มีการค้นพบโมเลกุลใหม่ที่เรียกว่า Buckminsterfullerene หรือ Fullerene หรือที่เรียกสั้นๆว่า Buckyball อันเป็นรูปแบบที่ 3 ของธาตุคาร์บอน ซึ่งเคยเชื่อว่ามีเพียง 2 รูปแบบของธาตุคาร์บอนบริสุทธิ์ ได้แก่เพชร และแกรไฟต์มาเป็นเวลานาน การค้นพบ buckyball นี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์วุ่นวายกับการค้นหาการใช้ที่ไม่ธรรมดาของสารโมเลกุลประหลาดนี้

Buckminsterfullerene อาจฟังดูเหมือนไม่ใช่ชื่อทางวิทยาศาสตร์ แต่เป็นชื่อที่ตั้งตามชื่อของสถาปนิกชาวอเมริกัน R. Buckminster Fuller ผู้ออกแบบโดมงาม Montreal Expo ในปี 1967
Buckyball เป็นรูปใหม่ของคาร์บอน ค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1985 โดย Professor Richard E. Smalley; Professor Robert F. Curl Jr. แห่ง Rice University, Texas ประเทศสหรัฐอเมริกาและ Professor Harold W. Kroto แห่ง University of Sussex ประเทศอังกฤษ
การค้นพบ Buckyball ในปี 1985 นี้เป็นสิ่งที่น่าตื่นเต้นและน่ายินดีแก่นักเคมี เปรียบได้กับการค้นพบ Benzene เมื่อปี 1825 ซึ่ง Benzene สร้างจากคาร์บอน 6 อะตอมต่อกันเป็นวงกลมโดยมีไฮโดรเจนเกาะที่คาร์บอนอย่างละ 1 อะตอม Benzene ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีขนาดใหญ่ และเป็นบ่อเกิดของสารประกอบอินทรีย์อีกนับไม่ถ้วน มีสารอินทรีย์หลายชนิดที่นำมาใช้ผลิตสารที่ใช้ประจำวันตัวอย่างของสารผลิตภัณฑ์เหล่านี้ได้แก่ พลาสติก ยาแอสไพริน สีทา ฯ เช่นเดียวกันกับนักวิทยาศาสตร์ก็หวังว่า Buckyball จะเป็นเช่นเดียวกับ Benzene และหวังจาก Buckyball มากกว่า Benzene เนื่องจากมันมีขนาดใหญ่กว่าถึง 10 เท่า

ที่มา://www.sciencedaily.com

โครงสร้างของ Buckyball ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนจำนวน 60 อะตอม ซึ่งอะตอมทั้ง 60 อะตอมนี้เชื่อมโยงกันเป็นรูปบอลกลวง

ที่มา://www.benbest.com

โครงสร้างของแกรไฟต์ประกอบด้วยคาร์บอนเรียงตัวกันเป็นชั้นๆเป็นสารที่ลื่น อ่อน มีสีเทา ดำ ใช้ทำดินสอ ใช้เป็นสารหล่อลื่น นำไฟฟ้า

ที่มา://newton.ex.ac.uk

โครงสร้างของเพชรประกอบด้วยคาร์บอนจับกันในลักษณะทรงเหลี่ยมสี่หน้า เป็นผลึกที่มีความแข็งมาก ไม่นำไฟฟ้า

โครงสร้างและคุณสมบัติของ Buckyball

อะตอมคาร์บอน 60 อะตอมใน Buckyball จะมีโครงสร้างที่เรียกว่า Truncated icosahedron ซึ่งก็คือรูปร่างแบบลูกฟุตบอล (ในประเทศอเมริกาเรียก soccer ball) เป็นโมเลกุลของอะตอมเดี่ยวที่สร้างเป็นทรงกลมกลวง โมเลกุลมีความสมมาตรสูง
Buckyball มีคุณสมบัติคงทนต่อการกัดกร่อนไม่นำไฟฟ้า สามารถทยนต่อการกัดกร่อน ไม่นำไฟฟ้า สามารถทนต่อการกระแทกด้วยแผ่นเหล็กสแทนเลต ( stainless steel plate) ที่ 1,500 ไมล์ต่อชั่วโมง มีการสะท้อนกลับมาเพียงเล็กน้อยโดยไม่มีอันตราย เมื่ออัดขนาดให้เหลือเพียง 70 % ของขนาดเริ่มแรก Buckball ก็จะมีความแข็งมากขึ้นเป็นสองเท่าของเพชร

คาร์บอนอะตอมทั้ง 60 อะตอมจะจับกันเป็นรูปบอล ซึ่งประกอบด้วยทั้งหมด 32 หน้าโดยเป็นรูปห้าเหลี่ยม 12 รูป และรูปหกเหลี่ยม 20 รูปมเลกุลของ C₆₀ นี้ ไม่ได้สร้างพันธะกับอะตอมอื่นๆหรือโมเลกุลอื่น พันธะทั้งหมดจะจับกันเฉพาะกับอะตอมของคาร์บอนเท่านั้น

การเตรียม Buckyball

Buckyball ที่ค้นพบเป็นครั้งแรกโดย Smalley และคณะนั้น ได้จากการใช้แสงเลเซอร์ที่มีกำลังแรงสูงทำให้แกรไฟต์กลายเป็นไอ ผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นเป็นสารที่สเถียรและสอดคล้องกับสูตร C₆₀ ปริมาณที่เตรียมได้นั้นน้อยมาก
การค้นคว้าหาความรู้เกี่ยวกับ Buckyball ได้ดำเนินเรื่อยมาจนถึงปัจจุบัน ได้มีการพยายามหาวิธีการเตรียม Buckyball เพื่อให้มีปริมาณมากขึ้น ซึ่งได้มีการวิจัยเตรียม Buckyball หลายๆวิธีตัวอย่างเช่นกลุ่มของนักวิทยาศาสตร์อเมริกันเยอรมัน พบว่าสามารถเตรียม Buckyball ได้ในปริมาณที่น่าพอใจโดยการทำแกรไฟต์ให้เป็นไอในบรรยากาศของแก็สฮีเลียม พบว่าประมาณ 14% ของเขม่าประกอบด้วย C₈₀ และยังพบสารที่เกี่ยวพันอื่นเช่น C₇₀ ซึ่งถูกเสนอว่ามีรูปร่างเป็นรูปไข่เนื่องเพราะ C₆₀และ C₇₀ นี้เป็นโมเลกุลของธาตุคาร์บอน จึงมีสมบัติการละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ได้ง่ายกว่าแกรไฟต์และเพชร เช่น C₇₀ สามารถละลายใน n-hexane แล้วได้สารละลายสีส้ม ส่วน C₆₀ เมื่อละลายใน n-hexane แล้วได้สารละลายสีม่วงแดงเข้ม และในปี ค.ศ. 1990 กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ซึ่งนำโดย Donald Haffman แห่ง University of Arizona ได้ค้นพบว่าการทำอิเล็กโทรดแกรไฟต์ให้เป็นไอ จะได้ fullerene เป็นจำนวนมาก

การวิจัยค้นคว้าเพื่อนำBuckyball มาใช้ประโยชน์

หนทางที่เป็นไปได้มีดังนี้

-นำโลหะมาจับเข้ากับอะตอมของ C₆₀ จะได้สารตัวนำยิ่งยวด (superconductor) ซึ่งสามารถนำไฟฟ้าที่อุณภูมิต่ำๆได้โดยไม่มีการต้านทาน และในปัจจุบัน สามารถสร้างสารที่นำไฟฟ้าได้ที่ 45K
นอกจากนี้ Smalley ยืนยันว่าธาตุทุกชนิดที่มีอยุ่ในตารางธาตุนั้นสามารถที่จะเข้าไปอยู่ในช่องว่างเหล่านี้ได้ ซึ่งจะทำให้ได้สารที่นำไปใช้ได้เฉพาะด้าน ที่เป็นที่รู้จักกันดีคือด้านเวชกรรม ซึ่งใช้เป็นโทเลกุลกัมมันตรังสี ในวิธีการเฉพาะสามารถใช้รักษาโรคมะเร็งอีกวิธีหนึ่งนอกจากการใช้เคมีบำบัด (chemotherapy)

-Fuzzyball ถูกสร้างขึ้นโดยเพิ่มอะตอมเดี่ยวที่ด้านตนอกของ Buckyball ตัวอย่างที่ทำนายได้ คือการเติมอะตอมไฮโดรเจนเข้าไปจับที่คาร์บอนทุกตัวเกิดเป็นสารประกอบ C₆₀H₆₀ ซึ่งถูกนำไปใช้หลายด้านเช่น ใช้เป็นสารเคลือบวัสดุให้เป็นมันได้ดีกว่า เทฟลอน (Teflon) การเติมอะตอมฟลูออรีนเข้าไปที่คาร์บอนทุกตัวเกิดเป็นสารประกอบ C₆₀F₆₀₆₀ ซึ่งใช้เป็นสารหล่อลื่น

-โลหะบักไคด์ (MnC) Buckyball ที่เติมอะตอมเพียงไม่กี่อะตอมจะมีสมบัติเป็น superconductor รวมทั้งโปตัสเซียม อย่างไรก็ตามถ้ามีอะตอมของโปตัสเซียมเติมเข้าไปใน Buckyball มันก็จะแสดงสมบัติเป็นฉนวนมากกว่าเป็น superconductor โปตัสเซียม 3 อะตอม เหมาะที่จะใช้เป็น superconductivity ได้ดีที่สุด K₃C₆₀ เป็นผลึกโลหะที่เสถียร มีโครงสร้างแบบ face-centered cubic โดยที่โปตัสเซียมจะอยู่ในช่องว่างต่างๆ ระหว่าง Buckyball หลายๆ Buckyball โปตัสเซียมบักไคด์ (Potassium buckide) เป็นโมเลกุลของโลหะแรกที่เป็นสามมิติ ดังนั้นโลหะบักไคด์สามารถถูกผลิตเป็น free superconductor ที่ไม่ใช่เส้นตรง (linear) แต่เป็น สามมิติ ทั้งหมด

-การทดลองหลอม Buckball เข้าด้วยกัน เพื่อสร้างโมเลกุลที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก โดยใช้สารตั้งต้นที่ให้อิเลคตรอนแก่โมเลกุลของคาร์บอน จากนั้นสารประกอบที่ได้จะถูกทำให้เย็น แล้วก็ทำให้ร้อนอีกครั้งที่ 16 K จะได้สารประกอบที่มีสมบัติเป็นแม่เหล็ก

-การบรรจุก๊าซเฉื่อยต่างๆ เข้าไปในช่องว่าง (cage) ตัวอย่างเช่น การกักฮีเลียมและนีออนไว้ข้างใน Buckyball ซึ่งนับเป็นครั้งแรกที่นักเคมีจะได้สังเกตฮีเลียมและนีออนในสารประกอบชนิดอื่นๆ พวกเขาพบว่าที่อุณหภูมิจาก 1,000 องศาฟาเรนไฮท์ ถึง 1,500 องศาฟาเรนไฮท์ พันธะโคเวเลนต์พันธะหนึ่งที่เชื่อมต่อกับอะตอมคาร์บอนข้างเคียงได้แตกออก ซึ่งทำให้โครงสร้างของ Buckyball เปิดออกเป็นช่องให้อะตอมของฮีเลียมหรืออะตอมนีออนเข้าไป เมื่อปล่อยให้เย็นลง ก็จะมีการสร้างพันธะโคเวเลนต์ที่แตกออกไปนั้นใหม่ ทำให้ช่องปิด การกักอะตอมของก๊าซเฉื่อยเหล่านี้ใน Buckyball จะไม่เกี่ยวข้องกับการทำปฏิกิริยา หรือการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน สูตรของสารใหม่ที่เกิดขึ้นนี้ นักวิทยาศาสตร์แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง เชลย ฮีเลียม หรือ นีออน และเจ้าบ้าน Buckyball ด้วยสัญลักษณ์ @ ดังนั้น Helium fullerence จึงเขียนสูตรเป็น He@C₆₀ ซึ่งสารเหล่านี้สามารถใช้เป็นสารติดตาม หรือพิสูจน์พวกน้ำมันดิบ (crude oil) หรือสารมลพิษอื่นๆได้
นอกจากนี้ Smalley ได้เสนอโครงการ Buckyball Battery ซึ่งจะสร้างโดยกาห่อลิเทียมและฟลูออรีนไว้ในที่กักขัง (cage) ลิเทียมและฟลูออไรด์จะคายพลังงานออกมาเมื่อมันรวมกัน โมเลกุลนี้ถูกทำลายได้โดยออกซิเจนในอากาศ จำเป็นจะต้องสร้างเครื่องกั้น (Buckyball shell) นอกจากนั้น นักวิทยาศาสตร์บางท่านได้แนะนำการสร้างแบตเตอรี่ โดยการดึงอิเลคตรอนออกจาก Buckyball
ในอนาคตข้างหน้าการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับ Buckyball จะดำเนินต่อไปอย่างไม่หยุดยั้ง การค้นพบสารใหม่ หรือคุณสมบัติใหม่ๆ เพื่อนำมาใช้ในประโยชน์ด้านต่างๆคงเกิดขึ้นอีกมากมาย ซึ่งจะเป็นการเปิดโลกวิทยาศาสตร์ให้กว้างไกลอย่างไม่มีที่สิ้นสุด

จากจุลสารเคมี สิงหาคม 2540
โดย พ.อ. หญิง พัฒนัญญา เลขวัต

Create Date : 07 ธันวาคม 2551
Last Update : 7 ธันวาคม 2551 17:45:58 น.		0 comments
Counter : 7040 Pageviews.
Share Tweet