เล่นแร่ แปรธาตุ แบบไฮเทค

โดย ศาสตราจารย์ ดร.สุทัศน์ ยกส้าน

ในสมัยคริสตวรรษที่ 18 W. Lewis นักเคมีชาวอังกฤษเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่เรียกโลหะเช่น ทองคำ แพลททินัม พัลลาเดียม ฯลฯ ว่าเป็นโลหะมีตระกูล (noble metal) เพราะโลหะเหล่านี้เชื่องช้า ไม่กระตือรือร้นในการทำปฏิกิริยาทางเคมีกับธาตุอื่นๆ เลย

นั่นเป็นเรื่องในอดีต แต่ในปัจจุบัน นักเคมีกำลังประสบความสำเร็จในการนำโลหะมีตระกูลเหล่านี้ มาทำปฏิกิริยาเคมีกับสารอื่นๆ เป็นสารประกอบที่สามารถใช้เป็นวัสดุชนิดใหม่ๆ ซึ่งกำลังมีบทบาทสำคัญในการปฏิวัติ ปฏิรูปวงการเทคโนโลยีและอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย

วิธีหนึ่งที่ใช้ในการสังเคราะห์วัสดุที่ประกอบด้วยโลหะมีตระกูลเป็นดังนี้ นักเคมีจะเผาโลหะในเตาสุญญากาศ จนกระทั่งอุณหภูมิร้อนจัดถึง 5,000 องศาเซลเซียส ที่อุณหภูมิสูงเช่นนี้ โลหะจะระเหยเป็นไอ อะตอมที่มีสภาพเป็นไอมีสมบัติทางเคมีแตกต่างจากอะตอมของธาตุเดียวกันที่อยู่ในสภาพของแข็ง ก็เช่นกันเวลาอยู่คนเดียวกับเวลาอยู่กันหลายคน จะมีพฤติกรรมที่แตกต่างกัน ฉันใดก็ฉันนั้น อะตอมที่อิสระเหล่านี้จะเคลื่อนที่ว่องไวและพร้อมที่จะทำปฏิกิริยาเคมีกับอะตอมอย่างอื่นๆ

ดังนั้นเวลามันปะทะละอองแก๊สอื่นๆ เช่น คาร์บอนหรือไฮโดรเจน มันจะจับตัวกัน และเมื่อมันลอยไปปะทะผนังที่เย็นจัด กลุ่มอะตอมจะกลั่นตัวจับแข็งเป็นสารประกอบชนิดใหม่ นักเคมีใช้เทคนิคนี้ในการทำสารประกอบ mercurochrome (ยาแดง) สาร tetraethyl ที่ใช้ในน้ำมันรถยนต์ป้องกันการน๊อก และ alkyls ที่ใช้ในยาฆ่ารา เป็นต้น

ส่วน krypton ซึ่งเป็นแก๊สมีตระกูลนั้นก็เช่นกัน ในตามปรกติอะตอมของ Krypton จะอยู่โดดๆ คือไม่จับกลุ่มกับอะตอมใด และไม่จับกลุ่มกันเองด้วย เมื่อปี พ.ศ. 2535 P. Lethbridge และ T. Stace แห่งมหาวิทยาลัย Sussex ประเทศอังกฤษ ได้ประสบความสำเร็จในการทำให้อะตอมของ krypton จับตัวเป็นกลุ่ม (cluster) ที่ประกอบด้วย krypton ถึง 309 อะตอม กลุ่มอะตอมนี้มีขนาดใหญ่กว่าอะตอมของ Krypton เดี่ยวมาก และมีสมบัติทางเคมีที่น่าสนใจ เพราะสามารถใช้เป็นสารเร่งปฏิกิริยาเคมี (catalyst) ที่วิเศษได้

ในการสังเคราะห์กลุ่มอะตอม krypton นั้น นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองให้ แก๊ส krypton ผ่านรูเล็กๆ ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.2 มิลลิเมตร แล้วให้แก๊สขยายตัวในสุญญากาศ ผลการขยายตัวทำให้อุณหภูมิของแก๊สลดลง ดังนั้นเวลาอะตอมของแก๊สปะทะกัน แรงดึงดูดแบบ Van der Waal ระหว่างอะตอมจะมากพอที่จะยึดเหนี่ยวอะตอมเหล่านี้ให้จับกลุ่มกันได้ เป็นแก๊สที่มีสูตรเป็น Kr_n ซึ่ง n มีค่าตั้งแต่ 10 ถึง 340

การวิเคราะห์สเปกตรัมของอะตอมกลุ่มนี้ ทำให้นักเคมีทั้งสองรู้จำนวนอะตอมที่ประกอบกันเป็นกลุ่มได้ และพบว่าอะตอมที่เสถียรกลุ่มนี้ มักจะเรียงซ้อนกันเป็น 3 ชั้นบ้าง 4 ชั้นบ้าง และมีโครงสร้างเป็นรูปทรงที่มี 20 หน้าสม่ำเสมอ (icosohedral) ซึ่งโครงสร้างลักษณะนี้ไม่มีในของแข็งที่พบในธรรมชาติ

ในการประชุม International Chemical Conference of Pacific Basin Societies ที่ Honolulu สหรัฐอเมริกา เมื่อเดือนธันวาคม พ.ศ. 2534 O. Chapman แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Los Angeles ได้ทำให้วงการเคมีตะลึง เมื่อเขาประกาศว่า เขาประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์สารใหม่ชนิดหนึ่งชื่อ Azite ซึ่งมีลักษณะคล้ายเซรามิกที่แข็งแรงพอๆ กับหินคว๊อท แต่มีน้ำหนักเบากว่า

และเขาได้พบว่า Azite สามารถนำไฟฟ้าได้ดีคือ ไม่ดูดซึมน้ำและทนความร้อนได้สูง และที่น่าตื่นเต้นที่สุดคือสูตรโครงสร้างของ Azite เป็น C₆₀ ที่มีลักษณะเป็นทรงกลม คล้ายลูกฟุตบอลนี้ นับเป็นครั้งแรกที่นักเคมีสามารถสังเคราะห์ธาตุคาร์บอน ให้มีลักษณะกลมเช่นนี้ได้

วัสดุใหม่ๆ ที่นักวิทยาศาสตร์สังเคราะห์ขึ้นมานี้ จะมีประโยชน์เพียงใดหรือไม่ เป็นเรื่องที่นักวิทยาศาสตร์ต้องวิจัยค้นคว้าต่อไป เพราะในสายตานักวิทยาศาสตร์ปัจจุบัน เราอาจจะมองไม่เห็นคุณประโยชน์อันใดก็เป็นไปได้

แต่ในสายตานักวิทยาศาสตร์อนาคต วัสดุเหล่านี้อาจพลิกโฉมวงการอิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์ และอวกาศ ก็ได้


เอื้อเฟื้อข้อมูลโดย: สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)
เขียนโดย: ศาสตราจารย์ ดร.สุทัศน์ ยกส้าน