การคำนวนประสิทธิภาพการดูดซับก๊าซพิษโดยใช้วัสดุกราฟีน

          ใน ณ ปัจจุบันนี้ กระบวนการผลิตไม่ว่าจะเป็นเฟอร์นิเจอร์ ดั่งเช่น โต๊ะ ตู้ พรมปูพื้น ต่างๆภายในบ้านและสำนักงาน และ อีกทั้งในอุตสาหกรรมต่างๆอีกมากมาย ยกตัวอย่างเช่น อุตสาหกรรมยานยนต์ ได้นำก๊าซส่วนนึงมาใช้ในกระบวนการผลิต ก๊าซนี้มีชื่อว่า ฟอร์มัลดีไฮน์ ซึ่งจะได้ผลิตภัณฑ์นั้นสำหรับในการอุปโภคและบริโภค แต่เราทราบกันไหมว่า ฟอร์มัลดีไฮน์ นั้นมีผลดีคือช่วยในการผลิตต่างๆมากมาย ไม่ว่าจะเป็น พลาสติก สารเคลือบผิว แต่โทษของมันก็มีมากมายเช่นเดียวกัน ก่อนที่เราจะไปลงลึกถึงรายละเอียด การดูดซับสารพิษที่มีชื่อว่า ฟอร์มัลดีไฮน์ นั้น เรามาทำความรู้จักกันก่อนว่า ฟอร์มัลดีไฮน์ นั้นคืออะไรกัน มาติดตามกันได้เลย


          ฟอร์มัลดีไฮน์ (Formaldehyde) หรือสูตรทางเคมี H2CO เป็นสารเคมีสังเคราะห์ ที่มีสถานะเป็นก๊าซได้ที่อุณหภูมิปกติ และมีลักษณะเฉพาะก็คือ มีกลิ่นฉุน ไม่มีสี ติดไฟง่ายที่อุณหภูมิห้อง แต่ในอีกชื่อนึงเราน่าจะได้ยินกันเป็นอย่างดี คือ ฟอร์มาลีน(Formalin) ที่ใช้รักษาสภาพอาหารให้สดใหม่ โดยที่ฟอร์มาลีนนั้น จะประกอบไปด้วย ก๊าซฟอร์มัลดีไฮน์ ประมาณร้อยละ37 และ มีเมทานอลประมาณ10-15% อันตรายต่อสุขภาพเมื่อได้รับฟอร์มัลดีไฮน์ และ ฟอร์มาลีน จะมีอาการแสบตา แสบคอ แสบจมูก ถ้าสัมผัสต่อผิวหนังจะเกิดแผล พุพอง ไหม้

            เมื่อเราทำความรู้จักคร่าวๆของฟอร์มัลดีไฮน์ไปแล้ว ซึ่งเป็นก๊าซอันตรายต่อระบบทางเดินหายใจของมนุษย์ และ สัตว์เป็นอย่างมาก จึงเกิดปัญหาที่ว่า จะทำยังไงถึงจะสามารถตรวจจับและดูดซับสารพิษนี้ที่ล่องลอยในอากาศได้ ทำให้ทีมวิจัยจาก State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics ได้ทำการศึกษาวิจัยโดยนำวัสดุกราฟีนเพรียวๆ มาทำการคำนวนประสิทธิภาพการดูดซับฟอร์มัลดีไฮน์บนโปรแกรมคำนวนคอมพิวเตอร์ เพื่อดูประสิทธิภาพในการดูดซับฟอร์มัลดีไฮน์บนวัสดุ ก่อนที่เราจะไปลงลึกถึงเนื้อหาการทดลอง แล้วอะไรกันคือ กราฟีน มาตามผมมากันต่อ


          กราฟีน (Graphene) คือ ชั้นของอะตอมของคาร์บอนเพียง1ชั้นที่เรียงต่อกันเป็นโครงสร้างรูปหกเหลี่ยม หรือ Hexagonal แต่ถ้านำชั้นของอะตอมคาร์บอนนั้นเรียงซ้อนกันต่อไปหลายๆชั้น จะได้เป็นแกร์ไฟร์ หรือ ไส้ดินสอกดนั่นเอง โดยที่กราฟีนนั้นมีน้ำหนักเพียงแค่0.77มิลลิกรัมเท่านั้น แต่กลับกันมีความแข็งแรงมาก และสามารถนำความร้อนและนำไฟฟ้าได้ดี โดยสองนักวิทยาศาสตร์ที่ได้ค้นพบกราฟีนซึ่งสามารถแยกชั้นอะตอมของคาร์บอนเพียงแค่1ชั้นได้สำเร็จ ที่มีชื่อว่า Andre Geim และ Konstantin Novoselov
 
            จากประวัติความเป็นมาของการฟีนนั้น สู่การวิจัยทดลอง โดยที่ทางทีมวิจัยนั้นได้ทำการสร้างแบบจำลองวัสดุกราฟีนแบบ2มิติ แบบเพียวๆ กับทำการโด๊ปอะลูมินัมลงบนวัสดุกราฟีน จากนั้นทำการใส่ก๊าซฟอล์มัลดีไฮน์ไปในพื้นที่ว่างของการสร้างแบบจำลองบนวัสดุกราฟีน จากนั้นทำการคำนวนพลังงานในการดูดซับสารพิษเพื่อดูลักษณะความยาวพันธะ และ ความสามารถในการดูดซับก๊าซพิษ โดยใช้โปรแกรมการคำนวณที่มีชื่อว่า GAMESS เป็นโปรแกรมการคำนวณทางด้านเคมีและควอนตัมได้หลากหลายวิธีขึ้นอยู่กับปัญหาวิจัยแต่ละด้าน ดังนั้นสมการการดูดซับสารพิษบนกราฟีนจะมีดังนี้             จากการทดลองนั้น ทางทีมวิจัยได้ทราบว่า จากตารางแสดงผลชุดข้อมูลเมื่อกราฟีนทำการดูดซับสารฟอล์มัลดีไฮน์โดยที่ ฟอล์มัลดีไฮน์นั้นหันอะตอมของคาร์บอน ออกซิเจน และ ไฮโดรเจน เข้าหาอะตอมของคาร์บอนของการ์ฟีน ซึ่งเป็นลักษณะปกติของการหันพันธะอะตอมของคาร์บอน ออกซิเจน และ ไฮโดรเจนของก๊าซฟอร์มันดีไฮน์ ผลปรากฎว่า ความสามารถในการดูดซับพลังงานนั้น ทำได้ไม่ดีเท่าที่ควร เพราะว่า เมื่อความยาวพันธะระหว่างอะตอม2อะตอมที่มากขึ้นนั้น จะทำให้ความสามารถในการดูดซับสารพิษนั้นทำได้ไม่ดี แต่ในทางตรงกันข้ามเมื่อนำอะลูมิเนียมมาโด๊ปกับกราฟีนแล้วนำไปคำนวนความสามารถในการดูดซับพลังงาน ปรากฏว่าระยะห่างของพันธะระหว่างอะตอมของคาร์บอน ออกซิเจน และ ไฮโดรเจน กับ อะลูมิเนียมที่โด๊ปลงไปบนกราฟีนนั้น มีค่าที่น้อยลงเมื่อเทียบกับกราฟีนแบบเพียวๆ อีกทั้งความสามารถในการดูดซับนั้นทำได้ดีมากยิ่งขึ้น สามารถดูดซับก๊าซฟอร์มัลดีไฮน์ได้ดียิ่งขึ้น เมื่อพลังงานในการดูดซับนั้นยิ่งติดลบมากขึ้นเท่าไหร่ ทำให้มีความเสถียรระหว่างอะตอมทั้งสองอะตอมนั้นมากยิ่งขึ้น และทำให้ความสามารถในการดูดซับนั้นยิ่งทำได้ดีมากยิ่งขึ้นด้วย

 

          จากการศึกษาการคำนวณประสิทธิภาพการดูดซับก๊าซพิษบนกราฟีนนั้น ในงานวิจัยนี้ทางทีมวิจัยยังได้กล่าวทิ้งท้ายไว้ว่า จากผลการคำนวณนี้สามารถนำไปทำเป็นเซนเซอร์สามารถตรวจจับและดูดก๊าซพิษได้ในเวลาเดียวกัน อีกทั้งยังสามารถหาสารตัวอื่นมาโด๊ปลงบนกราฟีน เพื่อปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพในการดูดซับ รวมถึง อาจจะได้ทำการทดลองกับก๊าซอื่นๆไม่ว่าจะเป็น คาร์บอนมอนออกไซด์ อะโรมาติก รวมถึง ฝุ่นละออง(PM) ได้ต่อไปในอนาคต ซึ่งตอนนี้กำลังอยู่ในช่วงทดลองและศึกษาวิจัยสืบไป

 

ที่มา 

• http://tujournals.tu.ac.th/tstj/detailart.aspx?ArticleID=81
• http://www.thailandindustry.com/indust_newweb/articles_preview.php?cid=19310
• https://www.explainthatstuff.com/graphene.html
• https://www.nanowerk.com/what_is_graphene.php
• M. Chi and Y. P. Zhao, “Adsorption of formaldehyde molecule on the intrinsic and Al-doped graphene: A first principle study,” Comput. Mater. Sci., vol. 46, no. 4, pp. 1085–1090, 2009, doi: 10.1016/j.commatsci.2009.05.017.