นักวิจัยจีนเรียงคาร์บอนใหม่ ได้ “โมเลกุลญาติเพชร”

นักวิจัยจีนออกแบบโครงสร้างคาร์บอนใหม่ด้วยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ได้ “ที-คาร์บอน” อีกโครงสร้างของเพชร ที่เบาขึ้นและแข็งน้อยลงแต่ยังคงแกร่ง เชื่อหากใครสังเคราะห์จริงขึ้นมาได้ จะประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย

“สิ่งที่น่าแปลกใจที่สุดสำหรับเรา คือโครงสร้างที่สวยงามนี้ไม่เคยถูกนำเสนอมาก่อน” กัง ซู (Gang Su) นักวัสดุศาสตร์จากมหาวิทยาลัยบัณฑิตศึกษาแห่งสภาวิทยาศาสตร์จีน (Graduate University of the Chinese Academy of Sciences) ในกรุงปักกิ่ง ให้ความเห็น โดยเขายังร่วมเขียนรายงานการวิจัย เพื่ออธิบายถึงโครงสร้างที-คาร์บอน (T-carbon) นี้ลงวารสารฟิสิคัลรีวิวเลตเตอร์ส (Physical Review Letters) ด้วย

ด้วยแรงบันดาลใจจากรายการทีวี ที่เสนอเกี่ยวกับปิรามิดของอียิปต์ ไซน์นิวส์รายงานว่า ซูได้ใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์คำนวณว่า จะปรับปรุงโครงสร้างผลึกเพชรด้วยการแทนอะตอมคาร์บอนแต่ละตัว ในโครงสร้างเพชรด้วยปิรามิดคาร์บอน 4 อะตอมได้อย่างไร ซึ่งการจัดเรียงดังกล่าวได้โครงสร้างคาร์บอนที่มีความหนาแน่นเป็น 43% และความแข็งเป็น 65% ของเพชรในโครงสร้างปกติ

“มันน่าจะเป็นวัสดุที่เบาและแกร่งมากๆ ซึ่งคุณจินตนาการถึงการประยุกต์ใช้งานอีกมากมายได้เลย” เวนดี เหมา (Wendy Mao) นักธรณีฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Stanford University) ผู้ไม่ได้มีส่วนร่วมในงานวิจัยนี้ให้ความเห็น

ด้านซูและคณะคาดหวังว่า วัสดุจากโครงสร้างที่พวกเขาออกแบบนี้จะได้รับการพิสูจน์ว่ามีคุณค่าต่ออุตสาหกรรมอากาศยานและใช้ในการบรรจุก๊าซไฮโดรเจน เพื่อเป็นแหล่งพลังงานต่อไปในท้ายที่สุด ทั้งนี้เนื่องจากเส้นทางที่อิเล็กตรอนจะวิ่งไปในโมเลกุลของที-คาร์บอนนั้นยังใช้ประโยชน์เป็นสารกึ่งตัวนำได้ด้วย

ทีมวิจัยยังคาดเดาอีกว่า "ที-คาร์บอน" อาจเป็นองค์ประกอบของฝุ่นระหว่างดวงดาว ซึ่งหากเป็นเช่นนั้น จะช่วยอธิบายถึงการบิดเบี้ยวของแสงเมื่อผ่านฝุ่นเหล่านี้ ที่มีนักดาราศาสตร์สังเกตพบปรากฏการณ์นี้ครั้งแรกเมื่อปี 1965

หากแต่นักฟิสิกส์ทฤษฎีคนอื่นๆ ก็ยังสงสัยว่า จะสร้างคาร์บอนปิรามิดเหล่านี้ขึ้นได้หรือไม่ เพราะคาร์บอนนั้น มีความสามารถอันโดดเด่นในการสร้างพันธะโมเลกุลได้หลากหลายรูปแบบ ซึ่ง อาร์เทม โอกานอฟ (Artem Oganov) นักผลึกศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยสโตนีบรูค (Stony Brook University) ในนิวยอร์ก บอกว่ามีวิธีนับไม่ถ้วนที่อะตอมคาร์บอนจะจัดเรียงตัวเพื่อก่อโครงสร้างใหม่

โอกานอฟบอกว่า การจัดเรียงอะตอมคาร์บอนส่วนใหญ่เหล่านั้น ไม่เสถียรพอที่จะคงอยู่ให้เห็นในสิ่งแวดล้อมตามปกติ และเขายังเชื่อด้วยว่า จะมีปัญหาในการสังเคราะห์ที-คาร์บอน เพราะว่าที-คาร์บอนนั้นมีความหนาแน่นต่ำ ดังนั้นจึงต้องก่อตัวที่ความดันต่ำกว่าความดันบรรยากาศปกติ

ในทางตรงกันข้าม ความพยายามล่าสุดในการสร้างคาร์บอนรูปแบบใหม่นั้นให้ความสนใจกับการสร้างโครงสร้างใหม่ด้วยความดันสูงโดยการบีบเค้นวัสดุ โดยซูเสนอวิธีทำที-คาร์บอนด้วยการระเบิดก้อนเพชรหรือกราไฟต์ซึ่งเป็นอีกรูปในการจัดเรียงตัวของอะตอมคาร์บอน เพื่อทำให้ความดันเป็นลบ

เรทานา เวนท์ซโควิทช (Renata Wentzcovitch) นักวัสดุศาสตร์จากมหาวิทยาลัยมินเนโซตา (University of Minnesota) ในมินเนโพลิส ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในงานวิจัยครั้งนี้ บอกว่าเธออาจมีวิธีที่จะทำที-คาร์บอนจากองค์ประกอบคาร์บอนเล็กๆ แต่เธอเองไม่แน่ใจว่าที-คาร์บอนนั้นจะเสถียรพอที่จะยืนยันความพยายาม

“แม้ว่าจะสังเคราะห์ขึ้นมาได้ แต่เราก็ไม่รู้ว่ามันจะเชื่อมต่อกันได้หรือไม่ โครงสร้างที่มีพลังงานน้อยมีแนวโน้มที่จะเสถียรมากกว่า แต่โครงสร้างนี้มีพลังงานมากและมากกว่าคาร์บอนในรูปแบบอื่นๆ และการรบกวนเพียงเล็กน้อยอาจทำให้โครงสร้างพังทลายลงได้” เวนท์ซโควิทช์ให้ความเห็น

ทั้งนี้ จากการสร้างที-คาร์บอนในห้องปฏิบัติการ เวนท์ซโควิทช์และนักวิจัยคนอื่นๆ เห็นพ้องกันว่า ซูได้สาธิตให้เห็นโครงสร้างคาร์บอนที่เป็น “ลูกพี่ลูกน้อง” กับเพชรจริงๆ ไม่ใช่เพียง “เพื่อนในจินตนาการ”