ท่อนาโนคาร์บอน วัสดุแห่งอนาคต

ท่อนาโนคาร์บอน (Carbon nanotubes) เป็นโครงสร้างนาโนที่เป็นวัสดุสังเคราะห์ที่ได้รับความสนใจอย่างมากที่สุดจากนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกในขณะนี้ (ซึ่งมีการศึกษาวิจัยกันอย่างแพร่หลายมากขึ้น) ทั้งนี้เนื่องจากว่าท่อนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุสังเคราะห์ที่มีลักษณะโครงสร้างพิเศษที่แตกต่างไปจากอัญรูปทั้ง 3 แบบของธาตุคาร์บอน (ก็คือเพชร กราไฟต์ และบัคมินสเตอร์ฟลูเลอรีน) โดยท่อนาโนคาร์บอนนี้เกิดขึ้นจากอะตอมคาร์บอนที่จัดเรียงตัวกันเป็นแผ่นซึ่งมีความลื่นไหลสูง (เหมือนกับโครงสร้างของกราไฟต์) อะตอมคาร์บอนเหล่านี้เชื่อมโยงกันเป็นตาข่ายที่มีรูปหกเหลี่ยม แต่มีลักษณะที่ม้วนตัวเข้าหากันเป็นท่อหรือเป็นหลอด จึงทำให้โครงสร้างนาโนนี้มีคุณสมบัติที่พิเศษหลายประการ และโครงสร้างนาโนของท่อนาโนคาร์บอนนี้ถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1991 โดยศาสตราจารย์ชาวญี่ปุ่นชื่อ ซูมิโอะ ลิจิมะ ( Sumio Lijima) ในห้องทดลองที่เมืองสึคุบา (Tsukuba) ประเทศญี่ปุ่น

ท่อนาโนคาร์บอนเป็นโครงสร้างนาโนที่เหล่านักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษา และพบว่าเป็นโครงสร้างที่มีคุณสมบัติพิเศษหลายด้าน ซึ่งสามารถที่จะนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างมากมายในอนาคต

คุณสมบัติเชิงกลที่พิเศษของท่อนาโนคาร์บอนนี้ คือเป็นโครงสร้างนาโนที่มีความแข็งแกร่ง น้ำหนักเบา และมีความยืดหยุ่นอย่างมาก โดยจากการศึกษาของเหล่านักวิทยาศาสตร์ และได้กล่าวไว้ว่าท่อนาโนคาร์บอนนี้เป็นโครงสร้างที่มีความแข็งแกร่งมากกว่าเหล็กเกินกว่า 60 เท่า(บางคนคาดคะเนว่าท่อนาโนคาร์บอนที่สังเคราะห์แล้วมีขนาดเล็กกว่าเส้นผมเล็กน้อย จะสามารถใช้ลากรถบรรทุกขนาดใหญ่ได้อย่างสบาย แต่ก็ยังไม่สามารถที่จะพิสูจน์ได้ เพราะยังไม่มีใครสามารถสังเคราะห์ท่อนาโนคาร์บอนที่มีขนาดใหญ่อย่างนั้นได้) และท่อนาโนคาร์บอนมีน้ำหนักที่เบามาก อีกทั้งเป็นโครงสร้างที่มีความยืดหยุ่น ซึ่งจากการศึกษาพบว่าสามารถทนต่อแรงดึงได้มากกว่าเล็กถึง 20 เท่า จึงได้มีการนำมาใช้เป็นวัสดุเสริมแรงในผลิตภัณฑ์หลายชนิด อย่างเช่น อุปกรณ์กีฬากอล์ฟและเทนนิส เป็นต้น (และมีแนวโน้มในการใช้ผลิตแทนคาร์บอนไฟเบอร์เป็นโครงสร้างของเครื่องบินหรือยานอวกาศในอนาคต)

คุณสมบัติเชิงไฟฟ้าที่น่าสนใจอย่างมากสำหรับท่อนาโนคาร์บอน คือสามารถเป็นได้ทั้งสารกึ่งตัวนำหรือเซมิคอนดัคเตอร์ และเป็นตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดหรือซูเปอร์คอนดัคเตอร์ (คือตัวนำที่ไม่มีแรงต้านไฟฟ้าเลย) โดยขึ้นอยู่กับกระบวนการสังเคราะห์การจัดเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนตามผนังของท่อ สัดส่วนองค์ประกอบ และวัตถุชนิดอื่นที่ผสมลงไปในโครงสร้างท่อนาโน และเนื่องด้วยเป็นโครงสร้างที่เล็กมากในระดับนาโน ท่อนาโนคาร์บอนจึงมีคุณสมบัติควอนตัม คือสามารถควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนแบบไม่ต่อเนื่อง โดยอาจจะสามารถควบคุมการไหลทีละกลุ่มของอิเล็กตรอน หรือควบคุมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนทีละตัวได้ จึงได้มีการนำมาใช้งานในการผลิตเป็นทรานซิสเตอร์ที่มีความเร็วสูงและมีความต้านทานต่ำมาก และมีการนำมาพัฒนาในการสร้างเกทพื้นฐานเชิงตรรกะ (logic gate) ซึ่งจะนำไปสู่การสร้างระบบของคอมพิวเตอร์นาโน รวมทั้งมีการพัฒนาที่จะนำท่อนาโนคาร์บอนไปใช้แทนโลหะ ในส่วนที่เป็นขั้วในตัวหลอดสำหรับจ่ายลำอิเล็กตรอนในการประดิษฐ์จอภาพแบบรังสีแคโทด ที่ใช้ในจอทีวี หรือจอคอมพิวเตอร์ ด้วยคุณสมบัติที่เหนือกว่าคือสามารถให้ความสม่ำเสมอ ให้ปริมาณที่เพียงพอ และมีอายุการใช้งานของการจ่ายอิเล็กตรอนนานกว่า นอกจากนั้นแล้วยังไม่จำเป็นต้องใช้ในสุญญากาศ และยังเป็นการประหยัดพลังงาน เนื่องจากสามารถจ่ายอิเล็กตรอนได้ที่อุณหภูมิห้อง โดยไม่จำเป็นต้องเผาไส้หลอดให้แดง อย่างกรณีการใช้โลหะ

การสังเคราะห์ท่อนาโนในปัจจุบันนั้นไม่ได้มีเพียงแต่การสังเคราะห์จากธาตุคาร์บอนเท่านั้น ยังมีการสร้างท่อนาโนจากธาตุอื่นๆ อีกมากมาย เช่น ท่อนาโนพอร์ไฟริน หรือที่ทำมากจากซิลิกอน แต่โดยมากแล้วท่อนาโนที่ไม่ได้ทำมาจากธาตุคาร์บอน มักจะเรียกกันว่าเป็นเส้นลวดนาโน (nanowire) เช่น เส้นลวดนาโนซิลิกอน เป็นต้น ในอนาคตเราอาดได้เห็นท่อนาโนคาร์บอน นำมาใช้ในวัสดุงานต่างๆ มากขึ้น