เนื่องจากมีความเป็นพิษต่ำ ความคงตัวทางเคมี และคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางแสงที่โดดเด่น วัสดุนาโนที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบจึงพบการใช้งานมากขึ้นเรื่อยๆ ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การแปลงพลังงานและการจัดเก็บ ตัวเร่งปฏิกิริยา และชีวการแพทย์ คาร์บอนนาโนหัวหอม (CNOs) ก็ไม่มีข้อยกเว้นอย่างแน่นอน รายงานครั้งแรกในปี พ.ศ. 2523 CNO เป็นโครงสร้างนาโนที่ประกอบด้วยเปลือกที่มีศูนย์กลางของฟูลเลอรีน คล้ายกับกรงภายในกรง มีคุณสมบัติที่น่าสนใจหลายประการ เช่น พื้นที่ผิวสูงและการนำไฟฟ้าและความร้อนขนาดใหญ่
น่าเสียดายที่วิธีการทั่วไปในการผลิต CNO มีข้อเสียบางประการ บางชนิดต้องการสภาวะการสังเคราะห์ที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูงหรือสุญญากาศ ในขณะที่บางชนิดต้องการเวลาและพลังงานมาก เทคนิคบางอย่างสามารถหลีกเลี่ยงข้อจำกัดเหล่านี้ แต่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ซับซ้อน แหล่งคาร์บอนที่มีราคาแพง หรือสภาวะที่เป็นกรดหรือด่างที่เป็นอันตราย สิ่งนี้จำกัดศักยภาพของ CNO อย่างมาก
โชคดีที่ไม่สูญเสียความหวังทั้งหมด ในการศึกษาล่าสุดที่ตีพิมพ์ใน Green Chemistry (ออนไลน์ในวันที่ 25 เมษายน 2022 และตีพิมพ์ในฉบับที่ 10 เมื่อวันที่ 21 พฤษภาคม 2022) ทีมนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันเทคโนโลยีนาโกย่าในประเทศญี่ปุ่นพบวิธีที่ง่ายและสะดวกในการเปลี่ยนขยะจากปลา สู่ CNO ที่มีคุณภาพสูงสุด ทีมงานซึ่งรวมถึงผู้ช่วยศาสตราจารย์ Yunzi Xin นักศึกษาปริญญาโท Kai Odachi และรองศาสตราจารย์ Takashi Shirai ได้พัฒนาเส้นทางการสังเคราะห์ซึ่งเกล็ดปลาที่สกัดจากเศษปลาหลังจากทำความสะอาดจะถูกแปลงเป็น CNOs ในเวลาเพียงไม่กี่วินาทีผ่านการไพโรไลซิสด้วยไมโครเวฟ
แต่เกล็ดปลาจะเปลี่ยนเป็น CNO ได้อย่างง่ายดายได้อย่างไร? แม้ว่าเหตุผลที่แน่ชัดจะยังไม่ชัดเจนนัก แต่ทีมวิจัยเชื่อว่าเกี่ยวข้องกับคอลลาเจนที่มีอยู่ในเกล็ดปลา ซึ่งสามารถดูดซับรังสีไมโครเวฟได้มากพอที่จะทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว สิ่งนี้นำไปสู่การสลายตัวด้วยความร้อนหรือ “ไพโรไลซิส” ซึ่งผลิตก๊าซบางชนิดที่สนับสนุนการประกอบ CNO สิ่งที่น่าทึ่งเกี่ยวกับแนวทางนี้คือไม่ต้องการตัวเร่งปฏิกิริยาที่ซับซ้อน หรือสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย หรือเวลารอที่ยืดเยื้อ เกล็ดปลาสามารถเปลี่ยนเป็น CNO ได้ในเวลาน้อยกว่า 10 วินาที!
นอกจากนี้ กระบวนการสังเคราะห์นี้ยังให้ผล CNO ที่มีความเป็นผลึกสูงมาก การดำเนินการนี้ทำได้ยากมากในกระบวนการที่ใช้ของเสียจากชีวมวลเป็นวัสดุตั้งต้น นอกจากนี้ ในระหว่างการสังเคราะห์ พื้นผิวของ CNO ยังได้รับการคัดเลือกและทำหน้าที่อย่างละเอียดถี่ถ้วนด้วยกลุ่ม (−COOH) และ (−OH) สิ่งนี้ตรงกันข้ามอย่างสิ้นเชิงกับพื้นผิวของ CNO ที่เตรียมด้วยวิธีการทั่วไป ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเปลือยเปล่าและต้องถูกทำให้ใช้งานได้ผ่านขั้นตอนเพิ่มเติม
การทำงานแบบ “อัตโนมัติ” นี้มีนัยสำคัญสำหรับการใช้งานของ CNO เมื่อพื้นผิว CNO ไม่ทำงาน โครงสร้างนาโนมักจะเกาะติดกันเนื่องจากมีปฏิสัมพันธ์ที่น่าสนใจที่เรียกว่า pi−pi stacking ซึ่งทำให้ยากต่อการกระจายตัวในตัวทำละลาย ซึ่งจำเป็นในการใช้งานใดๆ ที่ต้องใช้กระบวนการที่ใช้สารละลายเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระบวนการสังเคราะห์ที่เสนอทำให้เกิด CNO ที่ทำหน้าที่ได้ จะช่วยให้มีการกระจายตัวที่ดีเยี่ยมในตัวทำละลายต่างๆ
ข้อดีอีกประการหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการทำงานและความเป็นผลึกสูง คือคุณสมบัติทางแสงที่ยอดเยี่ยม ดร. ชิราอิอธิบายว่า: ” CNO แสดงการปล่อยแสงที่มองเห็นได้สว่างเป็นพิเศษด้วยประสิทธิภาพ (หรือผลผลิตควอนตัม) 40% ค่านี้ ซึ่งไม่เคยมีมาก่อน สูงกว่าค่า CNO ที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้ประมาณ 10 เท่า ซึ่งสังเคราะห์ด้วยวิธีการทั่วไป ”
เพื่อแสดงการใช้งานจริงของ CNO ของพวกเขา ทีมงานได้สาธิตการใช้งานใน LED และฟิล์มบางที่ปล่อยแสงสีน้ำเงิน CNO ทำให้เกิดการปล่อยก๊าซที่เสถียรสูง ทั้งภายในอุปกรณ์ที่เป็นของแข็งและเมื่อกระจายตัวในตัวทำละลายต่างๆ รวมถึงน้ำ เอทานอล และไอโซโพรพานอล ” คุณสมบัติทางแสงที่เสถียรช่วยให้เราสามารถสร้างฟิล์มและอุปกรณ์ LED แบบยืดหยุ่นในพื้นที่ขนาดใหญ่ได้” ดร. ชิราอิคาดการณ์ “ การค้นพบนี้จะเป็นการเปิดหนทางใหม่สำหรับการพัฒนาจอภาพรุ่นต่อไปและไฟโซลิดสเตต ”
นอกจากนี้ เทคนิคการสังเคราะห์ที่เสนอยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และเป็นวิธีที่ตรงไปตรงมาในการเปลี่ยนขยะจากปลาให้เป็นวัสดุที่มีประโยชน์มากขึ้นอย่างไม่สิ้นสุด ทีมงานเชื่อว่างานของพวกเขาจะนำไปสู่การบรรลุเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืนของสหประชาชาติหลายประการ นอกจากนี้ หาก CNO เข้าสู่ระบบไฟ LED รุ่นต่อไปและจอแสดงผล QLED พวกเขาสามารถช่วยลดต้นทุนการผลิตได้อย่างมาก
ขอให้เราหวังว่าความพยายามของนักวิทยาศาสตร์เหล่านี้จะช่วยยกระดับให้ CNO ใช้งานได้จริงมากขึ้น!
