'Fullertubes' เข้าร่วมตระกูลคาร์บอนคริสตัล

คาร์บอนสามารถจัดเรียงตัวเองเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดชนิดหนึ่งในธรรมชาติ หรือเป็นวัสดุที่อ่อนจนเด็กๆ ขีดเขียนเส้นทางของมันลงบนกระดาษ หลายทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์เริ่มสงสัยว่า นอกจากเพชรและกราไฟต์แล้ว คาร์บอนยังมีรูปแบบผลึกอื่นใดอีกบ้าง

ในปี 1985 พวกเขามีคำตอบแรก นักเคมีกลุ่มหนึ่งค้นพบทรงกลมกลวงเล็กๆ ที่สร้างขึ้นจากอะตอมของคาร์บอน 60 อะตอม ซึ่งพวกเขาเรียกสั้นๆ ว่า บัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน หรือบัคกี้บอล หรือฟูลเลอรีน (คริสตัลมีลักษณะคล้ายกับโดมเนื้อดิน ซึ่งเป็นที่นิยมโดยสถาปนิก อาร์. บัคมินสเตอร์ ฟุลเลอร์) สาขาวิชาเคมีใหม่เกิดขึ้นรอบๆ ทรงกลมที่มีความกว้างระดับนาโนเมตร ขณะที่นักวิจัยพยายามค้นหาคุณสมบัติและการใช้งานของสิ่งที่เรียกว่าโมเลกุลที่สวยงามที่สุด

พบฟูลเลอรีนที่ใหญ่กว่า จากนั้นไม่กี่ปีต่อมา บทความของนักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น Sumio Iijima ได้จุดประกายความสนใจในรูปแบบคาร์บอนที่เกี่ยวข้อง เริ่มแรกเรียกว่า buckytubes แต่ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ carbon nanotubes ซึ่งเป็นทรงกระบอกกลวงที่ทำจากตาข่ายรังผึ้งของอะตอมของคาร์บอนที่ม้วนเหมือนกระดาษชำระ หลอด.

ผลึกคาร์บอนมีสเปกตรัมของคุณสมบัติทางไฟฟ้า เคมี และกายภาพซึ่งไม่มีธาตุอื่นใดเทียบเคียงได้ ความตื่นเต้นเกี่ยวกับนาโนศาสตร์คาร์บอนยังคงเพิ่มขึ้นเมื่อผู้ค้นพบบัคกี้บอลสามคน ได้แก่ Robert Curl, Harold Kroto และ Richard Smalley ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1996 จากนั้นในปี 2004 นักฟิสิกส์ Andre Geim และ Konstantin Novoselov ค้นพบวิธีการแยกอะตอมของคาร์บอนที่เป็นแผ่นแบนๆ ซึ่งเป็นผลึกที่รู้จักกันในชื่อกราฟีน ซึ่งจุดชนวนให้เกิดผลงานวิจัยอีกชิ้นหนึ่งที่ยังคงดำรงอยู่นับตั้งแต่นั้นมา และทำให้ตัวเองได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2010

เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักเคมีได้ค้นพบผลึกคาร์บอนอีกประเภทหนึ่ง ซึ่งคราวนี้เป็นการประโคมข่าวน้อยลงมาก ผู้เชี่ยวชาญด้านคาร์บอนส่วนใหญ่ที่ติดต่อเรื่องนี้ยังไม่เคยได้ยินเรื่องนี้ จนถึงตอนนี้ อุปทานทั่วโลกทั้งหมดอาจมีปริมาณถึงมิลลิกรัม หรือประมาณมวลของแมลงวันบ้านหนึ่งกำมือ

โครงสร้างคาร์บอนใหม่ล่าสุดเหล่านี้อยู่ระหว่างฟูลเลอรีนทรงกลมกับท่อนาโนทรงกระบอก พวกเขาเป็น "การแต่งงานระดับนาโน" ของทั้งสองที่มีรูปร่างเหมือนแคปซูลยา แฮร์รี่ ดอร์นนักเคมีแห่งสถาบันเวอร์จิเนียโพลีเทคนิคและมหาวิทยาลัยแห่งรัฐที่ร่วมมือกับ Steven Stevenson จากมหาวิทยาลัย Purdue ผู้ค้นพบโมเลกุลครั้งแรก Stevenson และ Dorn ได้ตั้งชื่อคริสตัลว่า fullertubes

Fullertubes รวมคุณสมบัติที่ดีที่สุดของฟูลเลอรีนและนาโนทิวบ์ หรือเลวร้ายที่สุดทั้งสองอย่าง หรืออาจจะเป็นข้อดีและข้อเสียเล็กน้อยจากแต่ละข้อ ขึ้นอยู่กับว่าคุณถามใคร คุณสมบัติของพวกมันจะมีประโยชน์อย่างไรคงต้องดูกันต่อไป มันเป็นสถานที่ที่เราเคยไปมาก่อน และยังคงเป็นอยู่ กับญาติของฟูลเลอร์ทูบส์ที่มีชื่อเสียงโด่งดังของฟูลเลอร์ทูบส์

การขุดสำหรับ Fullertubes

ศูนย์กลางของโลก fullertube คือห้องปฏิบัติการเคมีขนาดเท่าห้องนั่งเล่นที่วิทยาเขต Purdue's Fort Wayne รัฐอินเดียนา ที่นั่น สตีเวนสันและนักศึกษาระดับปริญญาตรีกลุ่มเล็กๆ ของเขารวบรวมและจัดหมวดหมู่โมเลกุลที่เพิ่งค้นพบ ซึ่งประกอบด้วยฝาครึ่งวงกลมที่ปลายกระบอกสูบที่มีความกว้างและความยาวต่างๆ กัน

ในปี 2020 Stevenson และผู้ทำงานร่วมกันได้ประกาศ สมาชิกคนแรก ของตระกูลฟูลเลอร์ทิวบ์ ซึ่งเป็นโมเลกุล 90 อะตอม ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นสองซีกของบัคกี้บอลที่เชื่อมต่อกันด้วยท่อนาโนนาโน 30 อะตอม พวกเขาพบโมเลกุลพร้อมกับสองพี่น้องที่ใหญ่กว่าซึ่งทำจากคาร์บอน 96 และ 100 อะตอมตามลำดับ

ในปีนี้ สตีเวนสันและดอร์น อธิบาย fullertubes อีกสองตัวทั้งสองประกอบด้วยคาร์บอน 120 อะตอม การศึกษาของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าโมเลกุลรูปเม็ดยาที่แคบกว่านั้นนำไฟฟ้าได้ ในขณะที่อันที่กว้างกว่าและสั้นกว่านั้นคือเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งหมายความว่ามันอาจนำไปใช้กับทรานซิสเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ Fullertubes ยังมีคุณสมบัติทางแสงและแรงดึงที่นักวิจัยยังคงสำรวจอยู่

James Heath จาก Institute for Systems Biology ในซีแอตเติล ผู้ช่วยแยกฟูลเลอรีนตัวแรกในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่ทำงานกับ Curl และ Smalley ในปี 1985 เรียกฟูลเลอร์ทิวบ์ใหม่นี้ว่า “โครงสร้างที่น่ารัก” ซึ่งเป็นไปตามกฎทางเรขาคณิตแบบเดียวกับที่นำเขาและเพื่อนร่วมงานไปสู่ ค้นหาฟูลเลอรีนตั้งแต่แรก: กฎว่ารูปห้าเหลี่ยม 12 รูปและรูปหกเหลี่ยมจำนวนคู่สามารถสร้างเปลือกปิดได้ (ตัวอย่างเช่น บัคกี้บอล มีรูปแบบหกเหลี่ยมและห้าเหลี่ยมเหมือนกันกับลูกฟุตบอล Fullertubes รักษากฎในขณะที่เพิ่มแถบหกเหลี่ยมเพิ่มเติม)

โมเลกุลเหล่านี้อยู่ภายใต้จมูกของนักเคมีมานานหลายปี โดยซ่อนตัวอยู่ในเขม่าคาร์บอนชนิดพิเศษแบบเดียวกับที่เป็นแหล่งหลักของฟูลเลอรีนมาช้านาน แต่ในปี 2020 ในที่สุด Stevenson ก็ค้นพบวิธีเลือกแคปซูลรูปท่อจากฟูลเลอรีนที่มีอยู่มากมาย กระบวนการ "มหัศจรรย์" อย่างที่เขาเรียกว่า คือการ "ตอบสนองสิ่งที่เป็นทรงกลมออกไป ดังนั้นเราจึงแยกลูกบอลออกจากหลอด”

เขม่าชนิดพิเศษมักเกิดจากการทำให้คาร์บอนกลายเป็นไอจากแท่งกราไฟต์ภายในห้อง เมื่อไอคาร์บอนเย็นลงบนผนังห้อง ไอน้ำส่วนใหญ่จะควบแน่นเป็นฟูลเลอรีน แต่ฟูลเลอร์ทูบที่หายากก็ก่อตัวขึ้นเช่นกัน โปรยเหมือนอัญมณีในกองตะกรัน กลลวงของสตีเวนสันอาศัยโมเลกุลที่ละลายน้ำได้ที่เรียกว่าเอมีน สิ่งเหล่านี้ถูกดึงดูดไปยังตำแหน่งที่การจัดเรียงอะตอมของคาร์บอนเป็นรูปหกเหลี่ยมแนบกับการจัดเรียงห้าเหลี่ยม ซึ่งเป็นจุดตัดที่ปรากฏทั่วฟูลเลอรีน ในทางกลับกัน ท่อนาโนนั้นไม่น่าสนใจสำหรับเอมีนเนื่องจากพวกมันมีเพียงรูปหกเหลี่ยม และฟูลเลอร์ทิวบ์ได้รับการปกป้องบางส่วนจากเอมีนโดยส่วนกลางของท่อนาโน ดังนั้นในขณะที่เอมีนสร้างพันธะกับฟูลเลอรีน ทำให้พวกมันละลายได้ในน้ำ แต่ฟูลเลอร์ทิวบ์ที่ไม่ได้ทำปฏิกิริยายังคงไม่ละลายน้ำ สตีเวนสันสามารถล้างฟูลเลอรีนออกไปได้ง่ายๆ โดยทิ้งฟูลเลอร์ทิวบ์ไว้เบื้องหลัง

จากนั้นเขารันตัวอย่างที่อุดมด้วยฟูลเลอร์ทิวบ์ผ่านเครื่องจักรที่แยกโมเลกุลตามมวลและความแตกต่างทางเคมีเล็กน้อย ทำให้ได้คอลเล็กชันของฟูลเลอร์ทิวบ์บริสุทธิ์ที่มีมวล รูปร่าง และคุณสมบัติที่สม่ำเสมอ

“แนวทางของสตีฟเป็นสิ่งที่น่าสนใจทีเดียว” นักเคมีกล่าว อาร์เดมิส โบโกเซียน ของ École Polytechnique Fédérale de Lausanne ในสวิตเซอร์แลนด์ ซึ่งทำงานร่วมกับท่อนาโน “มันเป็นวิธีการที่ไม่ได้ใช้ตามอัตภาพในสาขาของเรา … ของเขาแม่นยำกว่าเล็กน้อย”

ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่าความสามารถในการแยกตัวอย่างที่บริสุทธิ์และสม่ำเสมอของฟูลเลอร์ทิวบ์ทำให้โมเลกุลมีความน่าดึงดูดใจมากกว่าที่พวกเขาจะมี นอกจากนี้ยังสามารถแยกฟูลเลอรีนได้ แต่ขาดคุณสมบัติทางไฟฟ้าและแสงที่ทำให้ฟูลเลอรีนและท่อนาโนมีแนวโน้มเป็นส่วนประกอบในวงจรไฟฟ้าหรือเซ็นเซอร์ที่ใช้แสง ในขณะเดียวกัน ความบริสุทธิ์ยังคงเป็นเพียงความฝันสำหรับนักวิจัยท่อนาโน ซึ่งมักจะทำงานกับท่อที่มีความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางแบบสุ่มที่สับสนวุ่นวาย หรือแม้แต่ท่อที่ซ้อนกันอยู่ภายในท่อ ฟุลเลอร์ทิวป์จะเอาชนะอุปสรรคที่ขวางทางลูกพี่ลูกน้องของมันได้หรือไม่?

เกิดอะไรขึ้นกับบัคกี้บอลส์?

ใน 1991 บทความใน อเมริกันวิทยาศาสตร์Curl และ Smalley จินตนาการถึงการใช้งานที่ปฏิวัติวงการของบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน ซึ่งรวมถึงตัวนำยิ่งยวดที่ใช้คาร์บอน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และสารหล่อลื่น “ความเก่งกาจของ Bulk C₆₀ ดูเหมือนว่าจะเติบโตขึ้นทุกสัปดาห์” พวกเขาเขียน

ห้าปีผ่านไป คณะกรรมการรางวัลโนเบลเขียนไว้ว่า “ยังไม่มีการใช้งานจริงที่เป็นประโยชน์” ข่าวประชาสัมพันธ์ปี 1996 การประกาศว่า Curl, Kroto และ Smalley ได้รับรางวัลสาขาเคมีจากการค้นพบบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน “แต่สิ่งนี้ไม่คาดว่าจะเกิดขึ้นเร็วที่สุดเท่าที่หกปีหลังจากมีปริมาณฟูลเลอรีนในปริมาณที่มากด้วยตาเปล่า”

หนึ่งศตวรรษต่อมา ไม่มีผลิตภัณฑ์ใดที่หวังไว้ในตอนแรกออกสู่ตลาด สถานที่ไม่กี่แห่งที่คุณอาจพบบัคกี้บอลในเชิงพาณิชย์คือเครื่องสำอางและผลิตภัณฑ์เสริมอาหารที่โน้มน้าวศักยภาพของโมเลกุลในการเป็นสารต้านอนุมูลอิสระ ผลิตภัณฑ์ทั้งสองประเภทไม่จำเป็นต้องได้รับการอนุมัติจาก FDA และการศึกษาหลายชิ้นได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นพิษในบัคกี้บอล (งานวิจัยชิ้นหนึ่งดูเหมือนจะสนับสนุนประโยชน์ต่อสุขภาพ อย่างน้อยก็ในการยืดอายุขัยของหนู สัมผัสกับรังสีไอออไนซ์; พบอีก ไม่มีประโยชน์ต่อชีวิตในหนู.)

Michael Crommie นักฟิสิกส์จาก University of California, Berkeley มองว่าฟูลเลอรีนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปลอมเส้นทางไปยังผลึกคาร์บอนอื่นๆ "เพราะเรามีบัคกี้บอล" เขากล่าว "นั่นนำไปสู่ท่อนาโน และนั่นนำไปสู่กราฟีนในที่สุด"

ท่อนาโนประสบความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์และเชิงพาณิชย์มากกว่าฟูลเลอรีน คุณสามารถหาซื้อได้ที่ร้านฮาร์ดแวร์ ซึ่งพบได้ใน "เทปนาโน" หรือ "เทปตุ๊กแก" ที่ใช้คริสตัลในการยึดเกาะในลักษณะเดียวกับที่เท้าของกิ้งก่าใช้ขนขนาดเล็ก ท่อนาโนมีความแข็งแกร่งเป็นพิเศษ โดยมีศักยภาพที่จะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเหล็กกล้าอย่างมาก — ยกเว้นว่าจะไม่มีใครสามารถผลิตท่อนาโนที่มีความยาวเพียงพอสำหรับการเดินสายเคเบิลที่แข็งแรงเป็นพิเศษได้ อย่างไรก็ตาม ท่อนาโนช่วยเพิ่มความแข็งแรงเมื่อผสมเข้ากับผ้า ตัวเรือ ตัวถังรถประสิทธิภาพสูง และไม้เทนนิส นอกจากนี้ยังใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการกรองน้ำและเพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่บางชนิด

แต่ในขณะที่การใช้งานเหล่านั้นเกี่ยวข้องกับท่อนาโนจำนวนมากที่มีความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางต่างๆ กัน การใช้งานที่แปลกใหม่กว่า เช่น เซ็นเซอร์นาโนที่มีความแม่นยำ จะต้องใช้ท่อนาโนที่เหมือนกัน ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์สองตัวที่สร้างจากท่อนาโนที่แตกต่างกันจะตอบสนองต่อสิ่งเร้าเดียวกันต่างกัน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต้องการส่วนประกอบที่เหมือนกันเพื่อให้ทำงานในรูปแบบที่คาดการณ์ได้

“เราไม่สามารถแยกท่อนาโนได้จริงๆ” Boghossian กล่าว “บางทีผู้ที่ค้นพบวิธีง่ายๆ ในการแยกท่อนาโนบริสุทธิ์อาจได้รับรางวัลโนเบล” เช่นเดียวกับที่ Geim และ Novoselov ได้รับรางวัลสาขาฟิสิกส์ ไม่ใช่จากการค้นพบกราฟีน แต่สำหรับการแยกมัน

นักวิจัยชอบ หยูฮวงวัง ที่มหาวิทยาลัยแมรี่แลนด์กำลังพัฒนาวิธีการ ตัดท่อนาโนยาว เพื่อสร้างความยาวเฉพาะ - เทคนิคจากบนลงล่างที่ลำบากซึ่งเริ่มต้นด้วยการผสมผสานของท่อนาโนและแปลงเป็นคอลเลกชันของส่วนที่เหมือนกัน นักวิจัยคนอื่นๆ กำลังพยายามสร้างท่อนาโนจากล่างขึ้นบน อะตอมต่ออะตอม แต่วิธีนี้เป็นวิธีที่ผิดพลาดและมีราคาแพง

แกรฟีนซึ่งมีแผ่นชั้นเดียวที่สม่ำเสมอคือจุดที่ครอมมีเชื่อว่าศักยภาพที่แท้จริงสำหรับวัสดุนาโนคาร์บอนจะได้รับการเติมเต็ม เส้นทางที่ดีที่สุดสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และแม่เหล็กที่ใช้คาร์บอน ในมุมมองของเขา คือการตัดแต่งริบบิ้นกราฟีนเป็นรูปทรงที่มีประโยชน์ ซึ่งเป็นเทคนิคที่เขากล่าวว่าได้นำไปสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนในห้องปฏิบัติการแล้ว

ขั้นตอนทารกสำหรับ Fullertubes

แล้วถ้ามี fullertubes อาจมีบทบาทอะไร? เนื่องจากผลึกมีความสม่ำเสมอและสามารถเป็นตัวนำหรือสารกึ่งตัวนำได้ Stevenson และ Dorn จินตนาการว่าอาจเชื่อมโยงเข้าด้วยกันเหมือนเลโก้ขนาดนาโนเพื่อผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดจิ๋ว

Boghossian ใส่ท่อนาโนเข้าไปในเซลล์เพื่อศึกษาสภาพแวดล้อมภายใน เธออาศัยหลอดนาโนเรืองแสง: โครงสร้างดูดซับแสงสีหนึ่งและเปล่งแสงอีกสีหนึ่ง และการเปลี่ยนแปลงของแสงจะเปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับสภาวะของเซลล์ แต่การเรืองแสงนั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างของท่อนาโน และความแตกต่างระหว่างท่อนาโนทำให้ตีความสัญญาณได้ยากขึ้น หลอดฟูลเลอร์ที่สั้นที่สุดไม่เรืองแสง แต่หลอดที่ยาวกว่าจะแสดงอาการของมัน ถ้าฟูลเลอร์ทิวบ์ที่ยาวกว่านั้นเรืองแสงได้รุนแรงกว่านี้ พวกมันอาจเป็นประโยชน์สำหรับการวิจัยเช่นเธอ "ฉันคิดว่ามันจะช่วยได้มากกับแอพพลิเคชั่นออปโตอิเล็กทรอนิกส์" เธอกล่าว

ตั้งแต่ปี 2020 จากการค้นหาสิ่งพิมพ์ทางวิชาการ มีการกล่าวถึงฟูลเลอรีนในเอกสารประมาณ 22,700 ฉบับ ท่อนาโนปรากฏใน 93,000 การค้นหากราฟีนทำให้มีการอ้างอิงมากกว่า 200,000 ครั้ง สำหรับ fullertubes ณ บทความนี้ จำนวนสิ่งพิมพ์ที่เกี่ยวข้องทั้งหมดตลอดเวลาคือ 94

Boghossian กล่าวว่า นักวิจัยจำนวนมากขึ้นอาจก้าวกระโดดไปสู่ท่อฟูลเลอร์ทูบเมื่อเวลาผ่านไป หากการศึกษาพบคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกับนาโนทิวบ์ พร้อมข้อดีเพิ่มเติมของความยาวที่แม่นยำ ถึงกระนั้น เธอกล่าวว่า “มันจะต้องมีการปรับตัวบ้าง เพราะผู้คนทำงานเกี่ยวกับท่อนาโน [และรูปแบบคาร์บอนอื่นๆ] มาทั้งชีวิต”