เป็นที่ทราบกันดีว่ากราฟีนซึ่งเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างในระดับนาโนเมตรและกำลังได้รับความสนใจในวงการวิจัยในปัจจุบันเป็นอย่างมากนั้นมีคุณสมบัติที่เรียกว่า hydrophobic นั่นคือมันไม่ชอบน้ำ เจอกันเมื่อไหร่ผลักไสกันลูกเดียว ไม่ถูกกันเอามากๆ แต่ถ้าปริมาณน้ำมีความหนาในระดับเดียวกับความหนาของชั้นกราฟีน(ความหนา 1 ชั้นอะตอม) น้ำจะถูกดูดผ่านรูเล็กๆ(เล็กในระดับไม่กี่อะตอม)ของโครงสร้างกราฟีนอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดการส่งผ่านน้ำผ่านชั้นกราฟีนได้ ซึ่งคุณสมบัติที่ดูประหลาดและขัดแย้งนี้ได้ทำให้นักวิจัยและวงการอุตสาหกรรมเกิดความสนใจที่จะพัฒนาเทคโนโลยีกรองน้ำและการแยกน้ำออกจากสารละลายเกลือ(desalination)ชนิดใหม่จากกราฟีน โดยในปัจจุบันรูเล็กๆของกราฟีนที่มีความกว้างในระดับอะตอมดังที่กล่าวไปนั้นสามารถผลิตขึ้นได้โดยการซ้อนทับชั้นกราฟีนออกไซด์(อนุพันธ์หนึ่งของกราฟีน)จนมีความหนาระดับหนึ่งซึ่งมีชื่อเรียกว่า graphene oxide laminate โดย laminate ที่เตรียมขึ้นนั้นจะมีโครงสร้างคล้ายคลึงกับผนังชั้นในของหอยมุกที่เรียกว่า nacre หรือ mother of pearl ทำให้มันมีความแข็งแรงสูงมากๆ
รูป 1 น้ำสามารถระเหยผ่านชั้นกราฟีนออกไซด์ได้แต่โมเลกุลอื่นๆไม่สามารถเคลื่อนผ่านไปได้
Credit: Dr Rahul R.Nair
เมื่อสองปีที่แล้วทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์พบว่าเยื่อเลือกผ่านบางๆที่ทำมาจาก laminate ที่กล่าวข้างต้นนั้นมีคุณสมบัติป้องกันการซึมผ่านของแก๊สและไอของสารทุกชนิด แม้แต่ฮีเลียมซึ่งเป็นแก๊สที่ป้องกันได้ยากที่สุดเนื่องจากมันมีขนาดเล็กมากนั้นก็ยังไม่สามารถผ่านชั้น laminate ได้ ในขณะที่”ไอน้ำ”สามารถเคลื่อนผ่านได้อย่างสบายๆ ล่าสุดทีมวิจัยเดียวกันนี้ซึ่งนำโดย Dr Rahul Nair และศาสตราจารย์ Andre Geim(ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2010 จากงานวิจัยเกี่ยวกับกราฟีน)ได้ทดสอบเพื่อหาว่าเยื่อเลือกผ่านจากกราฟีนนั้นสามารถแยก”น้ำในสถานะของเหลว”ได้ดีขนาดไหน โดยได้ตีพิมพ์รายงานวิจัยลงในวารสาร Science ซึ่งเป็นวารสารที่มีชื่อเสียงมาก โดยรายงานดังกล่าวระบุว่า เมื่อจุ่ม laminate ลงในน้ำ มันจะมีการพองตัวเล็กน้อยแต่ยังคงสามารถส่งผ่านน้ำที่มีความหนาถึงสองชั้นโมเลกุล(two monolayer of water)ได้อย่างรวดเร็ว เกลือที่มีขนาดเล็กกว่า 9 อังสตรอม(ประมาณหนึ่งในล้านเท่าของ 1 เมตร)สามารถเคลื่อนผ่านได้แต่ไอออนหรือโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่กว่านั้นจะถูกไม่สามารถผ่านไปได้ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าชั้นกรองจากกราฟีนสามารถกรองและแยกแยะไอออนที่มีขนาดแตกต่างกันเพียงเล็กน้อยได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้การแยกที่เกิดขึ้นยังเกิดได้อย่างรวดเร็ว โดยผลดังกล่าวมาจากคุณสมบัติของชั้นกราฟีนที่คณะนักวิจัยนี้เรียกว่า ion sponging (เสมือนเป็นฟองน้ำที่ดูดซับไอออนไว้) ซึ่งเจ้ารูเล็กๆในโครงสร้างกราฟีนประพฤติตัวเหมือนเครื่องดูดฝุ่นที่ดูดไอออนเข้ามาทำให้ความเข้มข้นของไอออนภายในโครงสร้างมีค่ามากกว่าความเข้มข้นในสารละลายเป็นร้อยๆเท่า
Dr Nair กล่าวว่า “การกรองน้ำในการทดลองนี้มีความรวดเร็วและแม่นยำเท่าที่เราพอจะคาดหวังได้จากเจ้ารูเล็กๆเหล่านี้ ตอนนี้เราต้องการที่จะควบคุมขนาดของรูกรองและลดมันลงให้ต่ำกว่า 9 อังสตรอมเพื่อที่จะกรองเกลือที่อยู่ในสารละลายของเกลือเช่นน้ำทะเลซึ่งมีขนาดเล็กๆออกไป โดยงานวิจัยชิ้นนี้ของเราได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ดังกล่าว” Dr Irina Grigorieva ซึ่งเป็นหนึ่งในทีมวิจัยกล่าวเพิ่มเติมว่า “เป้าหมายสูงสุดของเราคือการสร้างอุปกรณ์กรองน้ำที่สามารถผลิตน้ำดื่มจากน้ำทะเลโดยใช้แรงปั๊มจากมือในช่วงเวลาสั้นๆ แม้ว่าเราจะยังไปไม่ถึงจุดนั้นแต่เราก็ได้รู้ว่ามันไม่ใช่เรื่องเพ้อฝันอีกต่อไป”
รูป 2 ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเคลื่อนผ่านชั้น laminate กับรัศมีของโมเลกุลและรัศมีของไอออนซึ่งมีโมเลกุลน้ำล้อมรอบ ซึ่งเรียกว่า hydrated radius (เนื่องจากไอออนที่อยู่ในสารละลายที่มีน้ำเป็นตัวทำละลายมักจะอยู่ในรูปแบบนี้แม้ในขณะที่มันผ่านชั้นกราฟีน ทำให้เราต้องวัดขนาดจริงที่มันมีชั้นของน้ำล้อมรอบอยู่ด้วย) พื้นที่สีเทาแสดงบริเวณที่ไม่มีการตรวจพบไอออนหรือโมเลกุลหลังชั้นกรอง ลูกศรสีม่วงแสดงขีดจำกัดของการวัดความเข้มข้นของแต่ละสาร
จากรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่า glycerol ซึ่งมีรัศมีมากกว่า 4.5 อังสตรอม(เส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 9 อังสตรอมดังที่กล่าวไว้ข้างต้น)ไม่สามารถตรวจพบได้หลังชั้นกรองแม้ว่าจะตั้งทิ้งไว้ถึง 10 วัน นั่นหมายความว่ามันไม่สามารถผ่านชั้น laminate ไปได้ ในขณะที่ propanol ซึ่งมีรัศมีน้อยกว่า 4.5 อังสตรอมเพียงเล็กน้อยนั้นสามารถตรวจพบการเคลื่นผ่านชั้น laminate ไปได้ ซึ่งสนับสนุนข้อสรุปที่ว่าชั้น laminate มีความแม่นยำและเลือกผ่านเฉพาะไอออนหรือโมเลกุลที่มีขนาด(เส้นผ่านศูนย์กลาง)น้อยกว่า 9 อังสตรอมเท่านั้น แต่ก็ยังต้องพัฒนาให้มีความจำเพาะในการป้องกันไอออนที่มีขนาดเล็กไม่ให้ผ่านไปได้ดังที่ทีมวิจัยได้กล่าวไว้ ในขณะที่อัตราการเคลื่อนผ่านสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 2 โมลต่อชั่วโมงต่อตารางเมตรซึ่ง สำหรับน้ำ 2 โมลจะมีค่าประมาณ 36 มิลลิลิตร แม้ว่าอัตราการกรองที่ 36 มิลลิลิตรต่อชั่วโมงต่อตารางเมตรจะยังดูน้อยมากแต่ก็ได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการพัฒนางานวิจัยดังกล่าวให้ดียิ่งขึ้นและขยายไปสู่ระดับอุตสาหกรรมได้
เอกสารอ้างอิง(References)
2. R. K. Joshi, P. Carbone, F. C. Wang, V. G. Kravets, Y. Su, I. V. Grigorieva, H. A. Wu, A. K. Geim, R. R. Nair. Precise and Ultrafast Molecular Sieving Through Graphene Oxide Membranes. Science, February 14, 2014 DOI:10.1126/science.1245711
Kaliko Science
https://www.facebook.com/KalikoScience/
