นาโนเทคโนโลยี  หน่วยที่ 3(ส่วนที่สอง): นาโนเทคโนโลยีจากระบบธรรมชาติสู่การสังเคราะห์ นาโนเทคโนโลยีโดยการสังเคราะห์ (2)
 
 
          ท่อนาโนคาร์บอน (หรือบางครั้งก็เรียกว่าท่อคาร์บอนนาโน)   เป็นโครงสร้างนาโนที่เป็นวัสดุสังเคราะห์ที่ได้รับความสนใจอย่างมากที่สุดจากนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกในขณะนี้ (ซึ่งมีการศึกษาวิจัยกันอย่างแพร่หลายมากขึ้น)  ทั้งนี้เนื่องจากว่าท่อนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุสังเคราะห์ที่มีลักษณะโครงสร้างพิเศษที่แตกต่างไปจากอัญรูปทั้ง 3 แบบของธาตุคาร์บอน  (ก็คือเพชร กราไฟต์ และบัคมินสเตอร์ฟลูเลอรีน)  โดยท่อนาโนคาร์บอนนี้เกิดขึ้นจากอะตอมคาร์บอนที่จัดเรียงตัวกันเป็นแผ่นซึ่งมีความลื่นไหลสูง (เหมือนกับโครงสร้างของกราไฟต์) อะตอมคาร์บอนเหล่านี้เชื่อมโยงกันเป็นตาข่ายที่มีรูรูปหกเหลี่ยม  แต่มีลักษณะที่ม้วนตัวเข้าหากันเป็นท่อหรือเป็นหลอด  จึงทำให้โครงสร้างนาโนนี้มีคุณสมบัติที่พิเศษหลายประการ  และโครงสร้างนาโนของท่อนาโนคาร์บอนนี้ถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1991 โดยศาสตราจารย์ชาวญี่ปุ่นชื่อ  ซูมิโอะ  ลิจิมะ ( Sumio Lijima)
 
 
ท่อนาโนคาร์บอนและโครงสร้างการจัดเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนภายในท่อนาโนคาร์บอน
 
 
          ท่อนาโนคาร์บอนเป็นท่อขนาดเล็กจิ่วมากในระดับนาโนเมตร  โดยเป็นท่อที่สังเคราะห์ขึ้นมาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของท่ออยู่ในช่วงระหว่าง 0.4-4.0 นาโนเมตรเท่านั้น และสามารถสังเคราะห์ได้โครงสร้างที่มีความยาวได้ถึง 10 ไมโครเมตรเลยทีเดียว (อาจจะฟังดูยาวน้อยมากเมื่อเทียบกับสิ่งของทั่วไปที่เราใช้อยู่  แต่ลองคิดว่าถ้าเป็นโลกระดับนาโนนั้น  ความยาวเท่านี้ถือว่ายาวมากเลยทีเดียว)  และท่อนาโนคาร์บอนสามารถสังเคราะห์ได้โดยแบ่งออกเป็น 2 ลักษณะ  ได้แก่  แบบมีผนังชั้นเดียวหรือผนังเดี่ยว (single wall carbon nanotube : SWCNT) และแบบที่เป็นผนังหลายชั้น (multi-wall carbon nanotube : MWCNT) (ซึ่งคล้ายกับการเอาท่อเล็กซ้อนกันในท่อใหญ่หลายๆ ชั้น)  

 

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

     
 

          นอกเหนือจากคุณสมบัติพิเศษทั้งในด้านอิเล็กทรอนิกส์และทางด้านวัสดุศาสตร์แล้ว มีรายงานผลการวิจัยเกี่ยวกับท่อนาโนคาร์บอนในด้านนาโนเทคโนโลยีชีวภาพ เพื่อใช้เป็นพาหะในการทำยีนหรือพันธุกรรมบำบัด (gene therapy) โดยปกติแล้วการทำยีนบำบัด  คือการนำส่งยีนที่ขาดหายไปหรือต้องการใช้ในการรักษาโรคเข้าสู่ร่างกายของผู้ป่วย เพื่อใช้ในการสร้างโปรตีนที่เหมาะสม ซึ่งเคยมีการนำวิธีการนี้มาใช้ในการรักษาโรคได้หลายชนิด เช่น โรคมะเร็ง โรคเอดส์ โรคติดเชื้อ และในวัคซีน และในปัจจุบันนักวิจัยทั่วโลกมีความตื่นตัวในการทำวิจัย  โดยการนำยีนที่ร่างกายขาดหายไปมาทำการตัดต่อในห้องทดลองและให้แก่คนไข้ แต่การนำยีนเดี่ยวๆ เข้าสู่ร่างกายโดยตรงไม่สามารถทำได้ เนื่องจากยีนไม่สามารถเคลื่อนผ่านผนังเซลล์ได้ด้วยตัวเอง จึงได้มีการศึกษาพาหะในการนำส่งไม่ว่าจะเป็นไวรัส ไลโปโซม หรือพอลิเมอร์ ซึ่งในภายหลังกลุ่มนักวิจัยพบว่า การดัดแปลงโครงสร้างของท่อนาโนคาร์บอน  โดยการทำให้มีสายของอะตอมออกซิเจนและคาร์บอนยื่นออกมานอกท่อนาโนคาร์บอน และทำการเชื่อมต่อกับกับหมู่อะมิโนที่มีประจุบวก จากการดัดแปลงนี้ทำให้ท่อนาโนคาร์บอนสามารถละลายน้ำได้ดีและมีประจุบวกอยู่โดยรอบ เนื่องจากประจุของท่อนาโนคาร์บอนและดีเอ็นเอที่ตรงข้ามกัน (ดีเอ็นเอมีประจุลบจากหมู่ฟอสเฟต) ทำให้เกิดเป็นแรงดึงดูดขึ้น โดยเหนี่ยวนำให้เกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อนของท่อนาโนคาร์บอนที่มีดีเอ็นเออยู่รอบๆ และจากผลการวิจัยโดยการเพาะเลี้ยงในเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม พบว่าท่อนาโนคาร์บอนบรรจุดีเอ็นเอสามารถเข้าสู่เซลล์และนำส่งสู่นิวเคลียสได้ และเหนี่ยวนำทำให้เกิดการสร้างโปรตีนได้ นอกจากนี้ไม่พบการเป็นพิษต่อเซลล์จากท่อนาโนคาร์บอนด้วย

 
โครงสร้างที่ประกอบร่วมกันระหว่างท่อนาโนคาร์บอนและดีเอ็นเอ  โดยจะเห็นดีเอ็นเอเป็นโครงสร้างที่พันรอบท่อนาโนคาร์บอน
 

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

 
<----- สามารถใช้เม้าส์ในการควบคุมการหมุนของโครงสร้างท่อนาโนคาร์บอน  โดยโครงสร้างจะหมุนหรืออยู่กับที่ตามตำแหน่งของเม้าส์ ----->