xs
xsm
sm
md
lg

Walter Kohn ผู้ได้โนเบลเคมีจากการใช้กลศาสตร์ควอนตัมศึกษาโมเลกุล

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

Walter Kohn (AFP)
ในปี 1998 ครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลเคมี ได้ตกเป็นของ Walter Kohn ผู้มีผลงานการใช้ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมศึกษาธรรมชาติของของแข็งที่ประกอบด้วยโมเลกุล อะตอม ซึ่งมีองค์ประกอบย่อยเป็นโปรตอน และอิเล็กตรอนและพบว่าสมบัติกายภาพของของแข็งขึ้นกับลักษณะความแปรปรวนด้านความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในสารนั่น ทฤษฎี DFT (density functional theory) ของ Kohn ยังสามารถอธิบายผลิตผลที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีได้ด้วย DFT จึงเป็นเทคนิคพื้นฐานสำคัญที่นักเคมีทฤษฎีปัจจุบันใช้ในการคำนวณความหนาแน่นของอิเล็กตรอน แทนที่จะคำนวณหาฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนตามแนวคิดของนักเคมีควอนตัมในสมัยก่อน เพราะไม่มีใครสามารถคำนวณค่าที่ต้องการอย่างแม่นตรงได้ นอกจากนี้ DFT ยังสามารถพยากรณ์รูปทรงของโมเลกุลที่เกิดจากปฏิกริยาเคมีได้ด้วย

Walter Kohn เกิดที่กรุง Vienna ในออสเตรีย เมื่อปี 1923 ได้เข้ารับการศึกษาชั้นต้นที่ Akademische Gymnasium ซึ่งเป็นโรงเรียนที่ดีที่สุดของประเทศ บิดามีเชื้อชาติยิว ประกอบอาชีพเป็นเจ้าของโรงงานผลิตโปสการ์ด กับงานศิลปะ ในช่วงเวลานั้นสภาพเศรษฐกิจทั่วโลกกำลังตกต่ำ กระนั้น ครอบครัว Kohn ก็ได้ตั้งความหวังจะให้ Kohn ทำธุรกิจของบิดา เมื่อเขาเป็นผู้ใหญ่

ที่โรงเรียน Kohn สามารถเรียนภาษาละติน และสอบประวัติศาสตร์ได้คะแนนดี แต่ได้เกรด C ในวิชาคณิตศาสตร์ ภาพถ่ายของ Kohn ในวัยเด็กมีคำบรรยายใต้ภาพว่า Professor Know-Nothing (ศาสตราจารย์ที่ไม่รู้อะไรเลย)

ถึงปี 1933 เมื่อกองทัพนาซีของ Adolf Hitler เข้ายึดครองเยอรมนี ซึ่งเป็นประเทศเพื่อนบ้านของออสเตรีย ครอบครัว Kohn รู้สึกหวั่นกลัวมาก อีก 5 ปีต่อมากองทัพนาซีก็เข้ายึดครองออสเตรีย และเมื่อธุรกิจของบิดาถูกทหารยึดเป็นสมบัติของรัฐ บิดาจึงคิดจะส่งลูกชาย Kohn ไปศึกษาต่อที่อังกฤษเพื่อความความปลอดภัย เพราะ Kohn ถูกไล่ออกจากโรงเรียน และเด็กที่มีสัญชาติยิวถูกจับเข้าค่ายกักกันเพื่อทรมาน

หลังจากที่ได้ครองออสเตรียกองทัพนาซีเยอรมันได้รุกรานโปแลนด์และต่อมาอีก 3 สัปดาห์ สงครามโลกครั้งที่สองก็อุบัติ Kohn ได้ขึ้นเรือหลบหนีไปอังกฤษ โดยพ่อและแม่ได้วางแผนให้ลูกชายเรียนต่อด้านเกษตรกรรม เพราะได้เห็นคนที่มีปริญญาในสาขาอื่นตกงานเป็นจำนวนมาก ส่วนพ่อแม่ของ Kohn หนีตำรวจลับไม่ทัน จึงถูกจับ และเสียชีวิตในค่ายกักกัน

ชีวิตของ Kohn ในอังกฤษมิได้เป็นไปอย่างสะดวกหรือง่าย เพราะ Kohn มีข้อจำกัดด้านภาษา ทำให้ต้องไปเรียนพิเศษกับครู โดยครูสอนภาษาอังกฤษให้ แล้ว Kohn สอนภาษาเยอรมันให้ครูเป็นการตอบแทน ส่วนค่ากินอยู่นั้น เพื่อนบิดาที่ดูแล Kohn เป็นคนรับภาระไป

ตามปกติเวลาเรียนคณิตศาสตร์กับวิทยาศาสตร์ Kohn มักพบว่าตนไม่มีปัญหาใดๆ เพราะมีความรู้มากพอๆ กับเด็กอังกฤษ จึงมีความสุขพอประมาณ จนกระทั่งถึงวันที่ 10 พฤษภาคม ค.ศ.1940 ซึ่งเป็นวันที่กองทัพนาซีรุกราน Holland, Belgium และ Luxembourg ชาวอังกฤษแทบทุกคนพากันตกใจกลัวว่า ในอีกไม่นานอังกฤษก็จะถูกนาซีรุกรานเป็นประเทศต่อไป นายกรัฐมนตรี Winston Churchill จึงบัญชาให้บรรดาเยาวชน นักวิทยาศาสตร์ วิศวกร แพทย์ และศิลปินที่เป็นคนต่างชาติ โดยเฉพาะพวกที่อพยพมาจากเยอรมนีและออสเตรียไปอยู่ในค่ายผู้ลี้ภัย ซึ่งตั้งอยู่ใกล้เมือง Liverpool เพื่อส่งต่อไปที่เกาะ Isle of Man แต่ในเวลาต่อมารัฐบาลอังกฤษเกรงว่า อีกไม่นานค่ายคงต้องเปิดรับผู้อพยพเพิ่มอีก ดังนั้น เพื่อลดภาระรับผิดชอบด้านความปลอดภัย รัฐบาลอังกฤษจึงจัดส่งผู้อพยพเชื้อชาติยิวไป Canada

Kohn จึงเริ่มต้นชีวิตใหม่ที่เมือง Quebec แล้วเดินทางต่อไปเข้าค่ายที่เมือง Fredericton และพบว่า สภาพความเป็นอยู่ภายในค่ายอพยพเต็มไปด้วยมิตรไมตรีจิตที่อบอุ่น ทั้งนี้เพราะชาวค่ายทุกคนช่วยเหลือกันและกันอย่างเต็มที่ Kohn ได้มีโอกาสเรียนหนังสือโดยมีผู้ใหญ่ร่วมค่ายหลายคนสอนและวางแผนจะกลับไปดูแลพ่อแม่ในออสเตรียหลังสงครามโลกยุติ

หนังสือคณิตศาสตร์ที่ Kohn ใช้อ่านในเวลานั้นคือ A Course in Pure Mathematics ที่เขียนโดยนักคณิตศาสตร์ชื่อ G.H.Hardy กับ Introduction to Chemical Physics ที่เขียนโดยนักฟิสิกส์ชื่อ J.C. Slater ซึ่งทั้งสองเป็นคนที่มีชื่อเสียงมาก

ถึงปี 1941 Kohn ได้ถูกส่งตัวไปพำนักในค่ายกักกันที่ Farnham ซึ่งตั้งอยู่ใกล้เมือง Montreal และยังสนใจเรียนหนังสือเหมือนเดิม เพราะได้อาจารย์ชื่อ L. Mandel แห่งมหาวิทยาลัย Toronto เป็นผู้สอน อาจารย์ท่านนี้เป็นชาวยิวอีกคนหนึ่งที่ได้หลบหนีออกจากเยอรมนี

การเห็นความสามารถที่โดดเด่นมากของ Kohn ทำให้ Mandel ชักชวน Kohn ไปเรียนต่อที่มหาวิทยาลัย Toronto ในแคนาดา โดยให้เรียนคณิตศาสตร์ และฟิสิกส์เป็นวิชาเอก Kohn ก็ตกลงและจบการศึกษาระดับปริญญาตรีและโทสาขาคณิตศาสตร์ประยุกต์ สำหรับการเรียนต่อในระดับปริญญาเอกนั้น Kohn เลือกทำวิจัยด้านทฤษฎีฟิสิกส์นิวเคลียร์ โดยมี Julian Schwinger (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1965) เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา ขณะที่เรียนจบปริญญาเอก Kohn มีอายุเพียง 25 ปี ด้านอาจารย์ Schwinger ก็มีอายุ 30 ปีต้นๆ แม้อายุของคนทั้งสองจะไล่เลี่ยกัน แต่อาจารย์กับศิษย์คู่นี้ก็ไม่เคยทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิด เพราะอาจารย์ไม่มีเวลาว่างให้ศิษย์ และเมื่อ Kohn ใกล้จะจบปริญญาเอกนั้นเขาได้นำเสนองานวิจัยที่ทำ แล้วส่งไปลงพิมพ์ในวารสาร Physical Review โดยที่ Schwinger ไม่รู้เรื่องเลย

จากนั้น Kohn ได้งานทำเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกแห่งมหาวิทยาลัย Harvard แล้วเดินทางไปครองตำแหน่งศาสตราจารย์แห่ง Carnegie Institute of Technology ในปี 1950 อีก 10 ปีต่อมาก็ได้ย้ายไปประจำที่ภาควิชาฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัย California ที่ San Diego และได้จัดตั้งสถาบัน Institute for Theoretical Physics ขึ้นที่เมือง Santa Barbara ปัจจุบันสถาบันนี้มีชื่อว่า Kavli Institute

สำหรับผลงานที่ทำให้ Kohn ได้รับรางวัลโนเบลนั้นเป็นการศึกษาสมบัติของระบบสสารควบแน่น (condensed matter system) ที่ประกอบด้วยอะตอมที่มีนิวเคลียส และอิเล็กตรอนจำนวนมาก ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ไปได้ทุกหนแห่งในสาร โดยได้รับอิทธิพลแรงผลักจากอิเล็กตรอนอื่น และแรงดึงดูดจากนิวเคลียส เพราะสารมีอะตอมจำนวนมหาศาล (ระดับ 1026อนุภาค) อิเล็กตรอนจึงมีสถานะควอนตัมที่แตกต่างกัน (ตามหลักการกีดกันของ Pauli)

ในช่วงเวลานั้น (ปี 1950-1960) นักฟิสิกส์ทฤษฎีด้านสสารควบแน่นมักต้องการการคำนวณหาพลังงานของอิเล็กตรอนทุกอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในสาร เพราะค่าพลังงานที่ได้ คือ กุญแจสำคัญที่สามารถบอกสมบัติกายภาพของระบบได้

Kohn เริ่มศึกษาการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเวลาระบบมีอะตอมของสารเจือเข้าไปปน และพบว่า ในกรณีที่สารเจือมีประจุบวก อิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ จะเคลื่อนที่เข้าไปใกล้อะตอมสารเจือนั้น ทำให้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในบริเวณรอบอะตอมสารเจือไม่สม่ำเสมอ คือ ขึ้นกับระยะทางจากสารเจือ โดยมีความหนาแน่นมากบ้าง และน้อยบ้าง ความหนาแน่นที่แปรปรวนในลักษณะของเส้นโค้งขึ้น-ลงนี้เป็นที่รู้จักในนาม Friedel oscillations การที่ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนมีค่าไม่สม่ำเสมอนี้ เกิดจากการที่อิเล็กตรอนมีสมบัติคลื่น

การได้เห็นความแปรปรวนของความหนาแน่นอิเล็กตรอนในกรณีนี้ได้ชี้นำให้ Kohn คิดต่อไปว่า การรู้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในบริเวณต่างๆ อาจจะเป็นกุญแจดอกสำคัญในการบอกสมบัติของสาร

ในปี 1964 ขณะเดินทางไปเพิ่มพูนประสบการณ์วิจัยที่ Paris ในฝรั่งเศส

Kohn ได้ร่วมมือกับ Pierre Hohenberg แห่ง Ecole Normale Superieure ในการตั้งทฤษฎี Hohenberg-Kohn ขึ้นมา เพราะได้พบว่า ความแปรปรวนของความหนาแน่นอิเล็กตรอน คือ ปัจจัยหลักที่ใช้กำหนดสมบัติกายภาพของสาร
Kohn ได้เดินทางกลับไปทำวิจัยต่อที่มหาวิทยาลัย California ใน San Diego และได้ขยายขอบเขตของทฤษฎี Hohenberg-Kohn ให้สามารถใช้ได้ขณะสารมีอุณหภูมิต่างๆ ส่วนศิษย์ของ Kohn ที่ชื่อ Philip Tong ก็ได้ประยุกต์ทฤษฎีฟังชันนัลความหนาแน่น (Density Functional Theorem) ในการคำนวณหาพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมแก๊สเฉื่อยด้วย

ในเบื้องต้น ทฤษฎีของ Hohenberg และ Kohn ได้รับการต่อต้านจากบรรดานักทฤษฎีทั้งหลาย เพราะคนเหล่านั้นเชื่อว่า การหา matrix ของความหนาแน่นเป็นเรื่องที่เหมาะสมกว่า การหา functional ของความหนาแน่นทฤษฎีของ Kohn แต่หลังจากเวลาผ่านไป 25 ปี นักวิทยาศาสตร์ก็ได้ยอมรับ

นอกจากจะชอบวิชาการแล้ว Kohn ยังโปรดปรานการเล่นสกีด้วย และเป็นนักเคลื่อนไหวที่ออกมาต่อต้านการบังคับให้อาจารย์มหาวิทยาลัยร่วมมือสร้างอาวุธสงคราม ไม่ว่าจะที่ Los Alamos ใน New Mexico เพื่อผลิตระเบิดปรมาณู หรือที่ Livermore ใน California เพื่อสร้างแสงเลเซอร์สังหาร เพราะ Kohn สนับสนุนการวิจัยวิทยาศาสตร์เพื่อสันติภาพ เช่น สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ และสร้างพลังงานหมุนเวียน เป็นต้น

เมื่อวันที่ 19 เมษายน ค.ศ.2016 Kohn ได้เสียชีวิต สิริอายุ 93 ปี

ทฤษฎี DFT ของ Kohn ที่ใช้ในการคำนวณหาโครงสร้างอิเล็กทรอนิคของสสารภายใต้สถานการณ์ปกตินั้น สามารถพยากรณ์และอธิบายสมบัติต่างๆ ของโมเลกุล เช่น ความยาวพันธะ พลังงานยึดเหนี่ยว ลักษณะและรูปแบบของความถี่คลื่นผลึก และโครงสร้างของแลตทิซ (lattice) ด้วย

ในอดีตนักฟิสิกส์ ก่อน Kohn มีเทคนิคที่ใช้อธิบายสมบัติต่างๆ ของสสารหลายวิธี และพบว่าวิธีที่ถูกต้องที่สุด คือ การคำนวณหาฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนทุกตัว โดยการแก้สมการ Schroedinger ที่มีจำนวนมากประมาณ 1026 สมการ ซึ่งกว่าจะได้คำตอบ ต้องใช้เวลาหลายล้านปี แต่เมื่อ Kohn คิด DFT ข้อได้เปรียบของ DFT คือสามารถคำนวณสมบัติต่างๆ ของระบบได้ดีพอประมาณ โดยใช้เวลาไม่นาน และนักเคมีใช้ laptop ธรรมดาก็สามารถทำได้ ในกรณีโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีอะตอมประมาณ 500 อะตอม และอะตอม 1 อะตอมมีอิเล็กตรอนประมาณ 20 อิเล็กตรอน สมการ Schroedinger ที่จะต้องแก้จะมีจำนวนมากถึง 30,000 สมการ โดยที่ตัวแปรอยู่ปนกันอย่างแยกจากกันไม่ได้ ดังนั้น เวลาแก้สมการจึงต้องใช้วิธีประมาณ

ตลอดเวลา 20 ปีที่ผ่านมานี้ DFT ได้กลายเป็นเทคนิคหลักที่นักฟิสิกส์ นักเคมี และนักวัสดุศาสตร์นิยมใช้ในการศึกษาสมบัติของสสาร เช่น เมื่อปี 2015 โลกมีงานวิจัยกว่า 30,000 ชิ้นที่ใช้เทคนิค DFT ตัวอย่างความสำเร็จหนึ่งที่น่าตื่นเต้นมาก คือ DFT สามารถพยากรณ์เหตุการณ์ที่จะเกิดขึ้นได้อย่างถูกต้องว่า ถ้านำ hydrogen มารวมกับ sulphur ภายใต้ความดันที่สูงมาก จะได้ (H2S)2 H2 ซึ่งมีสมบัติเป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงถึง 203 เคลวิน นี่เป็นการค้นพบบนคอมพิวเตอร์ ก่อนที่นักวิทยาศาสตร์จะลงมือทดลองในห้องปฏิบัติการ และเมื่อนักวิทยาศาสตร์เข้าห้องทดลองก็ได้พบว่า คำพยากรณ์เป็นจริง

DFT จึงเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพมาก และผู้ที่ให้กำเนิดเทคนิคนี้ คือ Walter Kohn เขาจึงเป็นผู้นำทฤษฎีควอนตัมมาใช้ในเคมีได้อย่างมีประสิทธิภาพ และเป็นบิดาผู้ให้กำเนิดวิชาเคมีควอนตัม

อ่านเพิ่มเติมจาก Density-Functional Theory of Atoms and Molecules โดย R.G. Parr และ W. Yang จัดพิมพ์โดย Oxford University Press, New York ปี 1989






เกี่ยวกับผู้เขียน

สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์







กำลังโหลดความคิดเห็น...