นาโนเทคโนโลยี  หน่วยที่ 3(ส่วนที่สอง): นาโนเทคโนโลยีจากระบบธรรมชาติสู่การสังเคราะห์ นาโนเทคโนโลยีโดยการสังเคราะห์ (4)
 
 
 
          เดนไดรเมอร์เป็นโครงสร้างนาโนที่เป็นพอลิเมอร์สังเคราะห์  มีโครงสร้างเป็นลักษณะแบบแตกแขนงมากมายออกไปในแนวระนาบ (ลักษณะคล้ายกับต้นไม้ที่มีกิ่งก้านสาขามากมาย) โดยการแตกแขนงนั้นจะมีความสมมาตรในรัศมี  และมีขนาดเดียวกัน จนสุดท้ายกลายเป็นโครงสร้างทรงกลมสามมิติที่มีความเสถียร และมีปริมาตรพื้นที่ผิวสูงมาก
 
ลักษณะโครงสร้างของเดนไดรเมอร์
 
          โครงสร้างของเดนไดรเมอร์ประกอบด้วยส่วนสำคัญทั้งสิ้น 3 ส่วน ซึ่ง เกิดขึ้นจากการสังเคราะห์    พอลิเมอร์อย่างเป็นลำดับ  ได้แก่ แกนกลาง (initiator core) ซึ่งจะแขนงย่อย (branching unit) แตกขยายออกมาอย่างซ้ำๆ เป็นแนวรัศมี จนกระทั่งสิ้นสุดที่ผิวชั้นนอกสุดที่เป็นหมู่ปลายสุด (terminal group)
 
ส่วนประกอบในโครงสร้างของเดนไดรเมอร์
 
          อันเนื่องจากการก่อร่างขึ้นมาจากการการแตกแขนงกิ่งก้านในแต่ละขั้นตอน  จึงทำให้โมเลกุลของเดนไดรเมอร์ประกอบตัวเป็นมิติของลำดับชั้นขึ้นมาเรื่อยๆ   ดังนั้นความหนาแน่นของโมเลกุลเดนไดร  เมอร์จึงเพิ่มขึ้นตามการเติบโตจากการแตกแขนงนี้ด้วย
 
เดนไดรเมอร์ของคาร์โบไซเลนแบบชั้นเดียว (monolayer of carbosilane dendrimers)
ที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นมา  มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 นาโนเมตร  และแตกกระจายออกมารวมทั้งสิ้น 9 ครั้ง
 
          คุณสมบัติของเดนไดรเมอร์ถูกกำหนดโดยหมู่ฟังก์ชัน (functional group) ที่อยู่บริเวณพื้นผิวของโมเลกุล ตัวอย่างเช่น เดนไดรเมอร์จะสามารถละลายน้ำได้ถ้าหมู่ปลายสุดของเดนไดรเมอร์นั้นเป็นหมู่ที่ชอบน้ำ (hydrophilic group) และจากความสามารถนี้มีความเป็นไปได้ที่จะนำเดนไดรเมอร์มาประยุกต์ใช้งานทางการแพทย์  เพื่อใช้ในระบบการนำส่งยา (drug delivery system) เข้าสู่ภายในร่างกายของผู้ป่วยโดยตรง  โดยใช้เดนไดรเมอร์เป็นโมเลกุลขนส่งตัวยาที่ตัวยาเป็นสารของหมู่ที่ไม่ชอบน้ำ (hydrophobic group) ทำการบรรจุตัวยาเข้าไปไว้ภายในโครงสร้างของเดนไดรเมอร์ และเมื่อเดนไดร เมอร์เคลื่อนที่ไปถึงตำแหน่งเป้าหมายที่ต้องการจะรักษา  โมเลกุลของเดนไดรเมอร์ก็จะถูกกระตุ้นให้หมู่ปลายสุดเกิดการแตกตัวเป็นประจุออกมา  และหลังจากนั้นตัวยาที่ถูกบรรจุไว้ภายในก็จะถูกปล่อยออกเพื่อเข้าทำปฏิกิริยากับตำแหน่งเป้าหมายได้อย่างถูกต้อง 
 
 
          การนำเดนไดรเมอร์มาประยุกต์ใช้ทางด้านการแพทย์นั้น ได้มีการพัฒนาเป็นเทคโทเดนไดรเมอร์ (tectodendrimer) เพื่อประยุกต์ใช้ในการรักษาโรคมะเร็งภายในร่างกายของผู้ป่วย เทคโทเดนไดเมอร์มีขนาดเล็กมากในระดับนาโนเมตรจนสามารถเคลื่อนที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ และสามารถปฏิบัติหน้าที่ที่จำเป็นในการรักษาโรคมะเร็งได้หลายหน้าที่พร้อมกันด้วยตนเอง ส่วนประกอบหลักของเทคโทเดนไดเมอร์มี 5 ส่วนหลัก โดยชิ้นส่วนย่อยแต่ละส่วนประกอบถูกสังเคราะห์ขึ้นจากเดนไดเมอร์ ซึ่งมีลักษณะเป็นทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 5 นาโนเมตรเท่านั้น โดย แต่ละส่วนประกอบก็ทำหน้าที่ที่แตกต่างกันออกไปในการรักษามะเร็ง
 
 
 
          เมื่อกล่าวถึงท่อนาโน (nanotube) โดยมากแล้วมักจะถูกเรียกกันจนเคยชินว่าท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotube) ทำให้เข้าใจกันว่า ท่อนาโนสามารถถูกสร้างขึ้นมาได้จากโมเลกุลของคาร์บอนเพียงอย่างเดียวเท่านั้น แต่จริงๆ แล้ว ท่อนาโนสามารถสร้างขึ้นมาจากโมเลกุลประเภทอื่นๆ ก็ได้เช่นเดียวกัน และยังแสดงคุณสมบัติพิเศษที่น่าสนใจได้ไม่แพ้กันเลยทีเดียว หนึ่งในนั้นที่ได้มีการศึกษาและสร้างขึ้นมาแล้วก็คือ  ท่อนาโนที่ทำจากโมเลกุลของพอร์ไฟริน (porphyrin)
 
          ท่อนาโนพอร์ไฟริน (porphyrin nanotube)   เป็นโครงสร้างนาโนที่ได้จากการสังเคราะห์โดยการนำเอาโมเลกุลของพอร์ไฟลิน  มาจัดเรียงตัวกันให้เกิดเป็นโครงสร้างรูปท่อที่มีขนาดอยู่ในระดับนาโนเมตร  และยังสามารถที่จะนำเอาโมเลกุลของโลหะหรือวัสดุกึ่งตัวนำ  มาประกอบเข้าด้วยกันที่บริเวณพื้นผิวผนังด้านนอก  และด้านในที่เป็นรูกลวงของท่อเข้าเป็นโครงสร้างนาโนร่วมกัน โดยโมเลกุลของพอร์ไฟรินนั้นเป็นส่วนประกอบของโมเลกุลที่สำคัญในสิ่งมีชีวิต  เช่น  ฮีโมโกลบิน  ไซโตโคม (cytochrome)   และในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron transport chain)  
 
เค้าโครงโมเลกุลพอร์ไฟรินที่ได้จากเครื่อง AFM
 
          ท่อนาโนพอร์ไฟรินถูกสังเคราะห์ขึ้นมาครั้งแรกโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยจอร์เจีย (University of Georgia) ที่ชื่อ จงชุน หวัง (Zhongchun Wang) โดยได้เป็นโครงสร้างนาโนของท่อนาโนพอร์ไฟรินที่มีลักษณะเป็นท่อกลวง โดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่ออยู่ในช่วงระหว่าง 50-70 นาโนเมตร และผนังของท่อมีความหนาประมาณ 20 นาโนเมตรเท่านั้นเอง
 
ลักษณะของท่อและภาคตัดขวางของท่อนาโนพอร์ไฟริน
ท่อนาโนพอร์ไฟรินที่อยู่ในสารละลาย
 
          ท่อนาโนพอร์ไฟรินถูกประกอบขึ้นมาจากโมเลกุลของพอร์ไฟริน 2 ชนิดที่มีประจุตรงข้ามกัน  ซึ่งเมื่อแยกออกจากกันโมเลกุลของพอร์ไฟรินทั้ง 2 ชนิดจะอยู่ในรูปของสารละลาย แต่เมื่อผสมสารละลายทั้งสองชนิดเข้าด้วยกัน  โมเลกุลของพอร์ไฟรินทั้งสองชนิดจะจัดเรียงตัวเอง  ด้วยแรงระหว่างประจุที่กระทำต่อกันเข้าเป็นโครงสร้างโดยสลับกัน  จนสุดท้ายเกิดเป็นโครงสร้างของท่อนาโนพอร์ไฟรินขึ้นมาได้ภายใต้สภาวะของอุณหภูมิธรรมดาเท่านั้น (ซึ่งแตกต่างจากท่อนาโนคาร์บอนที่เกิดขึ้นจากพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมคาร์บอนที่อุณหภูมิสูงๆ) และคุณสมบัติที่โดดเด่นของท่อนาโนพอร์ไฟริน  คือ  สามารถออกแบบโครงสร้างให้มีคุณสมบัติเชิงแสงและเชิงไฟฟ้าได้หลากหลาย และสามารถดัดแปลงให้เกิดการจัดเรียงตัวในรูปแบบต่างๆ กันได้ เพื่อตอบสนองต่อการนำมาใช้งานในลักษณะของการเป็นอุปกรณ์นาโนในแบบต่างๆ ได้เป็นอย่างดี
 
 
       ท่อนาโนพอร์ไฟรินบางชนิดยังเป็นโครงสร้างนาโนที่มีคุณสมบัติในการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา  การเกิดโครงสร้างของโลหะที่บริเวณพื้นผิวของท่อได้ด้วย  ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการสร้างอุปกรณ์นาโนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น เมื่อผสมท่อนาโนพอร์ไฟรินลงในสารละลายที่มีไอออนของแพลทตินัมกับทองคำ  แล้วนำสารละลายนี้ไปรับกับแสงอาทิตย์ ท่อนาโนพอร์ไฟรินจะรีดิวซ์ไอออนที่อยู่ในสารละลายให้ กลายเป็นโลหะแพลทตินัมถูกฉาบเคลือบอยู่บริเวณโดยรอบของผิวด้านนอกของท่อ ในขณะที่แท่งนาโนของโลหะทองคำจะถูกฉาบเคลือบอยู่ภายในท่อ ทำให้ท่อนาโนพอร์ไฟรินนั้นมีคุณสมบัติในการทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจนได้เมื่อโดนแสง และถ้านำเอาอนุภาคนาโนที่ฉาบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา  ที่สามารถทำให้เกิดก๊าซออกซิเจนได้มายึดติดเข้ากับอนุภาคของทองคำ  ที่บริเวณส่วนปลายของท่อนาโนพอร์ไฟริน จะทำให้อนุภาคที่อยู่บริเวณปลายท่อและโครงสร้างที่เป็นแท่งของทองคำที่อยู่ในท่อนั้น นอกจากจะเป็นตัวนำอิเล็กตรอนระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งสองแล้ว ยังเป็นตัวป้องกันไม่ให้ก๊าซที่เกิดขึ้นทั้งสองชนิด (ก็คือก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจน) ที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับอีกด้วย ดังนั้นภายหลังความสำเร็จในการค้นพบนี้  นักวิทยาศาสตร์จึงมีแนวคิดที่จะนำมาเป็นแนวทางในการผลิตเป็นเชื้อเพลิงไฮโดรเจน  โดยการผลิตไฮโดรเจนจากการใช้พลังงานแสงอาทิตย์โดยตรงมาแยกน้ำให้กลายเป็นไฮโดรเจน  และออกซิเจน เพื่อป้อนให้กับเซลล์เชื้อเพลิงได้ ซึ่งในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์กำลังทำการค้นคว้า  และพัฒนาเพื่อให้ใช้งานได้จริงโดยเร็วที่สุด
 
เส้นลวดนาโนของทองคำที่กำลังสร้างตัวขึ้นภายในท่อนาโนพอร์ไฟริน