จากการ์ดอวยพรวันปีใหม่ 2565 ของศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ที่นอกจากจะมีคำอวยพรดีๆ จากผู้บริหารนาโนเทคแล้ว ยังมีภาพประกอบที่น่าสนใจอย่างต้นไม้นาโนไททาเนียมไดออกไซด์ ซึ่ง TiO2 nanoforest นี้ เป็นส่วนหนึ่งของการวิจัยในโครงการ TOP Frontier: Artificial Photosynthesis (การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยานาโนแม่นยำสูงสำหรับการสังเคราะห์แสงเทียมเลียนแบบพืช) NANOTEC Newsletter ฉบับนี้จะพาไปคุยกับ “ดร.ธีระ บุตรบุรี” ตัวแทนจากทีมวิจัยตัวเร่งปฏิกิริยา กลุ่มวิจัยการเร่งปฏิกิริยาและการคำนวณระดับนาโน (NCAS) นาโนเทค สวทช. ที่จะบอกเล่าเรื่องราวของต้นไม้นาโนเหล่านี้ ที่นอกจากสวยงามแล้ว ยังมีประโยชน์มากกว่าที่คิด
NANOTEC Newsletter: สวัสดีค่ะ ดร.ธีระ อยากทราบว่า ต้นไม้นาโนไททาเนียมไดออกไซด์ หรือ TiO2 nanoforest คืออะไรคะ
ดร.ธีระ: ไททาเนียมไดออกไซด์ หรือ TiO2 คือ หนึ่งในตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงที่ถูกใช้มากที่สุดในเทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวแสงอาทิตย์ (Solar-harvesting technologies) เกือบทุกแขนง เนื่องจากเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม มีความเป็นพิษต่ำ มีความทนทานต่อสภาวะทางเคมี, ความร้อนและแสงสูงมาก มีราคาถูกหาได้ง่าย และมีความว่องไวต่อการทำปฏิกิริยาค่อนข้างดีเมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงตัวอื่นๆ
อย่างไรก็ตาม เมื่อนำไปใช้เร่งปฏิกิริยาเชิงแสงจริง ๆ พบว่า ประสิทธิภาพที่แท้จริงจะต่ำกว่าประสิทธิภาพที่ควรจะเป็นในเชิงทฤษฎีมาก เช่น เมื่อ TiO2 ดูดกลืนแสงมาแล้วให้กำเนิดประจุ บวก-ลบ 100 คู่ จะมีการรวมตัวกลับของคู่ประจุ บวก-ลบ นั้นอย่างรวดเร็วประมาณ 90-95 คู่ เหลืออีกแค่ราว ๆ 5-10 คู่ เท่านั้นที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในปฏิกิริยาที่เราสนใจได้ การรวมตัวกลับของคู่ประจุ บวก-ลบ นี้ เกิดขึ้นเพราะอนุภาคนาโนโดยทั่วไปจะมีอัตราการขนส่งหรือถ่ายโอนประจุออกไปใช้ประโยชน์ในอัตราที่ช้ากว่าการรวมตัวกลับ การรวมตัวกลับของประจุนี้มักเกิดขึ้นบริเวณรอยต่อของอนุภาค โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน applications ที่ต้องเอาอนุภาคนาโนมาขึ้นรูปเป็นฟิล์มบางซึ่งมักจะทำให้เกิดรอยต่อระหว่างผลึกเยอะมาก ยิ่งไปเพิ่มการรวมตัวกลับ และขัดขวางการขนส่งประจุ ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมต่ำลงไปอีก
นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกพยายามแก้ไขปัญหานี้มานาน โดยก่อนหน้านี้พบว่า การปลูกโครงสร้างนาโนที่เป็นผลึกเดี่ยว (single-crystalline) ลงไปบนแผ่นรองรับโดยตรง จะช่วยให้มีอัตราการขนส่งหรือถ่ายโอนประจุเพิ่มขึ้นมาก เพราะผลึกเดี่ยวจะมีรอยต่อระหว่างผลึกน้อยทำให้ประจุเคลื่อนตัวได้สะดวก โดยเฉพาะอย่างยิ่งพบว่า การปลูกผลึกเดี่ยวที่มีโครงสร้างตั้งฉากกับแผ่นรองรับตัวนำ (vertically-aligned nanostructures on a conductive substrate) จะช่วยลดระยะทางการเคลื่อนที่ของประจุได้ด้วย แต่อย่างไรก็ตาม วัสดุที่เป็นผลึกเดี่ยวมักจะมีพื้นที่ผิวในการทำปฏิกิริยาต่ำ ทำให้ประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาโดยรวมต่ำอยู่ดี ในทางปฏิบัติแล้ว ยากมากที่วัสดุนาโนหนึ่ง ๆ จะมีคุณสมบัติการขนส่งประจุที่ดีไปพร้อม ๆ กับมีพื้นที่ผิวสูงด้วย เป็นปัญหาคอขวดที่สำคัญมานาน
โครงสร้างแบบต้นไม้นาโนถูกออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาคอขวดนี้ เพราะนอกจากจะมีแกนกลางของลำต้นที่เป็นผลึกเดี่ยวที่มีลักษณะตั้งฉากกับตัวรองรับช่วยให้เกิดการขนส่งประจุได้อย่างมีประสิทธิภาพแล้วยังมีกิ่งก้านช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวในการทำปฏิกิริยาไปพร้อมๆกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเราสามารถปลูกต้นไม้นาโนเหล่านี้ให้เป็น “ป่าไม้นาโน”
“ป่าไม้นาโน” จะอยู่ในลักษณะของฟิล์มบางที่มีความสม่ำเสมอ (uniform) บนตัวรองรับนำไฟฟ้า ความจริงแล้วเราไม่ใช่กลุ่มแรกที่นำเสนอแนวคิดการใช้ต้นไม้นาโนมาแก้ปัญหานี้ มีคนเคยนำเสนอมาก่อนแล้วและพบว่าสามารถเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพจากรายงานหลายฉบับ เพียงแต่การสังเคราะห์โครงสร้างแบบต้นไม้นาโนในอดีตนั้นทำได้ค่อนข้างยาก ต้องอาศัยขั้นตอนการสังเคราะห์หลายขั้นตอน ทั้งด้วยวิธิทางเคมีและฟิสิกส์ เช่น ต้องสังเคราะห์ส่วนที่เป็นลำต้นขึ้นมาก่อนด้วยวิธีทางเคมี หรือ lithography แล้วค่อยทำการเติมกิ่งก้านเข้าไปเป็นขั้นที่สอง ซึ่งยุ่งยากซับซ้อนและมักใช้สารเคมีที่เป็นอันตราย อีกทั้งยังได้โครงสร้างนาโนแบบใดแบบหนึ่งเพียงแบบเดียว เช่น แบบหนึ่งมิติ (One-dimensional nanostructure, 1D) เท่านั้น
กลุ่มวิจัยของเราเป็นกลุ่มแรกที่พัฒนาวิธีการสังเคราะห์ TiO2 nanoforest ลงบนแผ่นรองรับนำไฟฟ้าในรูปแบบของฟิล์มบางที่มีความสม่ำเสมอสูงด้วยเทคนิคการสังเคราะห์เพียงขั้นตอนเดียวเท่านั้น โดยใช้สารเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม (ได้แก่ น้ำ ไดเอทิลีนไกลคอล และ โพแทสเซียมไททาเนียมออกซาเลท ซึ่งทั้งสามตัวถูกจัดเป็น non-hazardous chemicals) นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมให้โครงสร้างพัฒนาไปเป็นโครงสร้างแบบมิติต่างๆ ทั้งศูนย์มิติ (0D) หนึ่งมิติ (1D) หรือ สองมิติ (2D) ได้เป็นครั้งแรกเท่าที่เคยมีรายงานมา อีกทั้งยังสามารถปรับเปลี่ยนโครงสร้างผลึก (crystal phases) ได้อย่างหลากหลายจากการศึกษาปัจจัยที่ควบคุมการก่อผลึกและวิวัฒนาการของโครงสร้างอย่างลึกซึ้ง
NANOTEC Newsletter: น่าสนใจมากเลยนะคะ อย่างนี้ ต้นไม้นาโนไททาเนียมไดออกไซด์จะสามารถต่อยอดใช้ประโยชน์ในทิศทางไหนได้บ้างคะ
ดร.ธีระ: อย่างที่กล่าวไปแล้วข้างต้นว่า TiO2 ถือเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงที่ถูกใช้มากที่สุดในเกือบทุกๆ Solar-harvesting technologies จึงคาดว่า การค้นพบวิธีการสังเคราะห์ป่าไม้นาโนไททาเนียมไดออกไซด์นี้น่าจะสร้างผลกระทบอย่างกว้างขวางต่อศาสตร์ที่เกี่ยวช้องกับ Solar-harvesting technologies เช่น การสังเคราะห์แสงเทียมเลียนแบบพืช เซลล์สุริยะ เซนเซอร์แสง พื้นผิวทำความสะอาดตัวเองได้ด้วยแสง การผลิตพลังงานไฮโดรเจนจากการแยกน้ำด้วยปฏิกิริยาเชิงแสง การกำจัดขยะเคมีและการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย/จุลลินทรีย์ด้วยแสง เป็นต้น
นอกจากนี้ กลุ่มวิจัยของเรายังได้พัฒนาวิธีการสังเคราะห์ผลึกเดี่ยว TiO2 ซึ่งสามารถแสดงผิวหน้าผลึก (active facets) และการเลือกทางเคมี (chemical selectivity) ต่างๆกัน โดยการสังเคราะห์แบบขั้นตอนเดียวเช่นกัน ซึ่งได้รับการตีพิมพ์ก่อนหน้านี้ (Butburee, T.; Kotchasarn, P.; Hirunsit, P.; Sun, Z.; Tang, Q.; Khemthong, P.; Sangkhun, W.; Thongsuwan, W.; Wang, H. and Faungnawakij, K.*, 2019. New Understanding of Crystal Control and Facet Selectivity of Titanium Dioxide Ruling Photocatalytic Performance. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 8156-8166)
ซึ่งนอกจากภาพถ่ายโครงสร้าง TiO2 nanoforest ที่ถูกเลือกแสดงเป็นหน้าปกซึ่งเป็นภาพของ 2D TiO2 nanoforest แล้ว ยังมีภาพอื่นๆที่เกี่ยวข้องกับงานนี้ เช่น 0D และ 1D TiO2 nanoforest ดังแสดงด้านล่าง
NANOTEC Newsletter: ภาพถ่ายโครงสร้างต่างๆ เหล่านี้ แสดงถึงศักยภาพและขีดความสามารถของทีมวิจัยอย่างไรบ้างคะ
ดร.ธีระ: ภาพถ่ายเหล่านี้แสดงถึงการค้นพบที่สำคัญในเชิงการสังเคราะห์เพราะนับเป็นครั้งแรกที่มีการรายงานกฏที่ควบคุมโครงสร้างผลึกให้มีรูปร่างหน้าตา โครงสร้างผลึก การเลือกทางเคมี ที่หลากหลายขนาดนี้ด้วยวิธีการสังเคราะห์เพียงขั้นตอนเดียวได้สำเร็จ ซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างกว้างขวางต่อศาสตร์หลายแขนงทั้งแง่ของการใช้ประโยชน์ในการเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงดังกล่าวข้างต้น และความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับกลไกการวิวัฒนาการเชิงโครงสร้างอย่างชัดเจน จนวารสารชั้นนำของโลกด้านเคมีและวัสดุศาสตร์อย่าง Journal of Materials Chemistry A (Impact Factor 12.732; Percentile 96; Tier 1) เลือกให้เป็น Hot Paper และได้รับเชิญให้ไฮไลท์ผลงานหน้าปกของวารสารทั้งสองผลงาน
นอกจากนี้ ดร. ธีระ บุตรบุรี ยังได้รับเชิญให้เข้าร่วมกองบรรณาธิการของวารสาร Journal of Materials Chemistry A ในฐานะ Editor Reviewer ประจำวารสารอีกด้วย จากการตีพิมพ์กับวารสารมามากกว่า 5 ผลงาน และเป็น casual reviewer ให้กับวารสารมามากกว่า 5 ปี แสดงถึงขีดความสามารถในการออกแบบและสังเคราะห์วัสดุนาโนขั้นสูง (Advanced Functional Nanomaterials) และแสดงความก้าวหน้าทางการวิจัยด้าน Artificial Photosynthesis ของทีมวิจัยให้เป็นที่รู้จักในระดับสากลได้เป็นอย่างดี