นาโนเทคโนโลยี  หน่วยที่ 3(ส่วนที่สอง): นาโนเทคโนโลยีจากระบบธรรมชาติสู่การสังเคราะห์ นาโนเทคโนโลยีโดยการสังเคราะห์ (1)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
          บัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า  บัคกี้บอล (buckyball) เป็นโครงสร้างนาโนที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของโครงสร้างเพียง 1 นาโนเมตรเท่านั้น   บัคกี้บอลเป็นโครงสร้างโมเลกุลที่ประกอบขึ้นมาจากอะตอมของธาตุคาร์บอนจำนวน 60 อะตอม (สัญลักษณ์ทางเคมีคือ ) เชื่อมต่อกันเป็นโครงสร้างลักษณะรูปทรงกลมคล้ายกับลูกฟุตบอล ซึ่งประกอบด้วยวงหกเหลี่ยมของคาร์บอน (hexagons) จำนวน 20 วง และวงห้าเหลี่ยม (pentagons) จำนวน 12 วง โดยบัคกี้บอลจัดเป็นสารในกลุ่มฟูลเลอรีน (fullerenes) ซึ่งฟูลเลอรีนเป็นอัญรูป (allotrope) แบบที่ 3 ของธาตุคาร์บอน (อัญรูปแบบที่ 1 ได้แก่  เพชร และอัญรูปแบบที่ 2 ได้แก่ กราไฟต์หรือถ่านนั่นเอง )
 
โครงสร้างนาโนของบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน  หรือบัคกี้บอล
 
          กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบโครงสร้างนาโนของบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน ได้แก่ ฮาโรลด์ โครโต (Harold Kroto) , ริชาร์ด สมอลลีย์ (Richard Smalley) และโรเบิร์ต เคิร์ล (Robert Curl) โดยแต่ละคนสนใจและเริ่มต้นทำการศึกษาเกี่ยวกับปรากฏการณ์กลุ่มคาร์บอน (carbon cluster)  เพื่อพิจารณาการจัดเรียงตัวของสายคาร์บอน  หลักฐานที่สำคัญที่ค้นพบนั้นเกิดจากการศึกษาเกี่ยวกับการดูดกลืนคลื่นแสงของฝุ่นระหว่างดาวเคราะห์ ซึ่งอยู่ใกล้กับดาวเคราะห์ดวงหนึ่งที่อยู่ห่างจากโลกประมาณ 1,000 ล้านปีแสง นักวิทยาศาสตร์กลุ่มนี้ทำการทดลองโดยการจำลองสภาพบรรยากาศของดาวดวงนั้น ด้วยการใช้แสงเลเซอร์กำลังสูงยิงไปยังแผ่นกราไฟต์ เพื่อให้เกิดความร้อนสูงและก่อให้เกิดสารประกอบคาร์บอนรูปต่างๆ กลายเป็นไอระเหยไปในสภาพบรรยากาศที่เป็นก๊าซฮีเลียม เมื่อทำให้สภาพบรรยากาศเย็นตัวลงทำให้พบกลุ่มของคาร์บอน  และนำไปทำการวิเคราะห์โดยใช้เทคนิคแมสสเปคโทรเมทรี (mass spectrometry) เพื่อจำแนกโมเลกุลตามขนาด   ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตรกลุ่มนี้ต่างประหลาดใจอย่างมาก  เมื่อพบว่ามีโครงสร้างโมเลกุลของคาร์บอนจำนวน 60 อะตอมเชื่อมต่อกันเป็นลักษณะรูปทรงกลมเหมือนกับลูกฟุตบอล  ซึ่งโครงสร้างของคาร์บอน 60 อะตอมนี้เป็นโครงสร้างที่มีความสมบูรณ์และมีความเสถียรมากที่สุด  จากผลงานการค้นพบนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ทั้ง 3 คนนี้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี  ในปี ค.ศ. 1996 และโครงสร้างของคาร์บอนที่มีลักษณะคล้ายกับลูกฟุตบอลนี้จึงถูกตั้งชื่อว่า บัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน นั่นเอง (ชื่อของบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีนถูกตั้งขึ้นมาตามชื่อของสถาปนิกผู้มีชื่อเสียงที่ชื่อว่า  ริชาร์ด บัคมินสเตอร์  ฟูลเลอร์ (Richard Buckminster Fuller) เพื่อให้เป็นเกียรติแก่ผลงานการออกแบบโครงสร้างรูปโดมครึ่งทรงกลมขนาดใหญ่  ที่ประกอบไปด้วยรูปหกเหลี่ยมและรูปห้าเหลี่ยมคล้ายกับลูกฟุตบอลที่มีชื่อเสียงโด่งดังมาก  และเป็นโครงสร้างที่เหล่านักคณิตศาสตร์ให้ความสนใจเป็นอย่างยิ่งด้วยคุณสมบัติเชิงโครงสร้างที่พิเศษ)
 
 

          ด้วยโครงสร้างนาโนที่มีลักษณะเป็นรูปทรงกลมรูปคล้ายลูกฟุตบอลนี้  มันเป็นลักษณะโครงสร้างที่มีคุณสมบัติอันน่าพิศวงอย่างมาก เนื่องจากว่ามันเป็นโครงสร้างที่มีความสมมาตรสูง  จึงทำให้เป็นโครงสร้างที่มีความแข็งแรงมากด้วย ซึ่งโครงสร้างในลักษณะนี้จะสามารถรองรับและถ่ายเทแรงภายในโครงสร้างได้เป็นอย่างดี โดย เป็นลักษณะโครงสร้างที่นักออกแบบหรือสถาปนิกนิยมนำมาใช้เป็นส่วนหนึ่งของการสร้างโดม  และเนื่องจากบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีนมีคุณสมบัติเชิงฟิสิกส์และเชิงเคมีที่แปลกประหลาดหลายประการ จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกพยายามค้นหาแนวทางในการนำเอาบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีนมาใช้ประโยชน์ด้านต่างๆ กันอย่างมากมาย

 
<----- สามารถใช้เม้าส์ในการคลิ๊กเลือกหมุนโครงสร้างนี้ได้ทั้งในแกน X,Y และแกน Z หรือใช้เม้าส์คลิ๊กซ้ายค้างไว้แล้วหมุนที่ตัวบัคกี้บอลก็ได้เช่นกัน ----->
 
 
          ความมหัศจรรย์อีกด้านหนึ่งของบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน  ที่เหล่านักวิทยาศาสตร์กำลังให้ความสนใจกันอย่างกว้างขวาง  ซึ่งพบว่าเมื่อเราเอาอะตอมของธาตุที่เป็นอัลคาไล (alkali) เช่น โซเดียมหรือโปรแตสเซียม จำนวน 3 อะตอมมายึดติดกับฟูลเลอรีน ก็จะทำให้ได้วัสดุพิเศษที่มีความนำไฟฟ้ายิ่งยวด (หรือไม่มีความต้านทานไฟฟ้าเลย) ที่อุณหภูมิประมาณ 20-40 องศาเคลวิน และสาเหตุที่ฟูลเลอรีนชอบยึดติดกับอะตอมของอัลคาไลเพราะตัวมันมีคุณสมบัติเป็นลบในทางเคมี ในขณะที่โลหะอัลคาไลมีคุณสมบัติเป็นบวก จึงทำให้สามารถจับคู่กันได้เป็นอย่างดี
 
          นอกจากนี้เหล่านักวิทยาศาสตร์ก็มีแนวคิดที่จะนำโครงสร้างบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีนมาประยุกต์ใช้ งานที่หลากหลายมากขึ้น  เนื่องด้วยโครงสร้างนี้มีพื้นที่ด้านในที่เป็นลักษณะกลวง จึงได้เกิดความคิดที่จะนำเอาอะตอมบางอย่างใส่เข้าไปภายในโครงสร้างนี้ ถ้าโครงสร้างของบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีนถูกใช้ห่อหุ้มอะตอมให้อยู่ข้างใน  จะเรียกโครงสร้างที่เป็นลักษณะนี้ว่าเอนโดฮีดรัล ฟูลเลอรีน (endohedral fullerene) และถ้าอะตอมที่เอาใส่ข้างในเป็นโลหะก็จะเรียกว่าเมทัลโลฟูลเลอรีน (metallofullerene) แต่จนถึงปัจจุบันนี้ก็ค้นพบว่า  มีอะตอมเพียงแค่ไม่กี่ชนิดที่สามารถถูกห่อหุ้มอยู่ด้านในของโครงสร้างบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีนได้ เช่น แลนทาลัม (lanthalum) สแกนเดียม (scandium) และก๊าซบางชนิด เช่น ไฮโดรเจน และเนื่องจากการที่สามารถนำอะตอมของธาตุเหล่านี้ไปใส่ไว้ภายในโครงสร้างนี้ได้ ทำให้อะตอมที่ใส่ไว้ภายในโครงสร้างบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีนนั้น  ก็จะสามารถทนต่อสภาวะต่างๆ ได้ดีกว่าตอนที่อยู่เป็นอะตอมเดี่ยวภายนอก  โดยที่ไม่มีอะไรห่อหุ้ม (โดยปกติแล้วจะหลุดออกได้ง่ายแม้กระทั่งโดนแสงหรืออากาศ)
 
 
          คุณสมบัติหนึ่งที่น่าสนใจอย่างมากสำหรับโครงสร้างของบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน  ก็คือสรรพคุณทางด้านการแพทย์ โดยบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีนสามารถใช้เป็นยาในการต่อต้านเชื้อไวรัสเอชไอวี (HIV) หรือไวรัสเอดส์ได้ สามารถใช้เป็นสารต่อต้านเชื้อแบคทีเรียได้ ใช้ในการต่อต้านมะเร็ง ใช้ในการเป็นตัวต่อต้านการออกซิไดซ์ (antioxidants) ซึ่งอาจจะเกิดขึ้นจากอนุมูลอิสระได้ และยังมีคุณสมบัติในการยังยั้งขั้นตอนการตายโดยอัตโนมัติ (anti-apoptosis agent) ของเซลล์ปกติได้อีกด้วย  ซึ่งนักวิทยาศาสตร์กำลังเร่งศึกษาเพื่อนำมาใช้จริงในการรักษาผู้ป่วย
 
          นอกจากนี้ยังสามารถนำบัคกี้บอลไปใช้ประโยชน์ในด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ (nanoelectronics) ทั้งนี้เนื่องจากบัคกี้บอลมีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) แต่ถ้ามีการประกอบโครงสร้างโมเลกุลบัคกี้บอลร่วมกันกับอะตอมของโลหะอัลคาไลน์ จะทำให้กลุ่มโมเลกุลบัคกี้บอลมีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวด (superconductor) ได้