เป็นที่ทราบกันดีว่ากราฟีนซึ่งเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างในระดับนาโนเมตรและกำลังได้รับความสนใจในวงการวิจัยในปัจจุบันเป็นอย่างมากนั้นมีคุณสมบัติที่เรียกว่า hydrophobic นั่นคือมันไม่ชอบน้ำ เจอกันเมื่อไหร่ผลักไสกันลูกเดียว ไม่ถูกกันเอามากๆ แต่ถ้าปริมาณน้ำมีความหนาในระดับเดียวกับความหนาของชั้นกราฟีน(ความหนา 1 ชั้นอะตอม) น้ำจะถูกดูดผ่านรูเล็กๆ(เล็กในระดับไม่กี่อะตอม)ของโครงสร้างกราฟีนอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดการส่งผ่านน้ำผ่านชั้นกราฟีนได้ ซึ่งคุณสมบัติที่ดูประหลาดและขัดแย้งนี้ได้ทำให้นักวิจัยและและวงการอุตสาหกรรมเกิดความสนใจที่จะพัฒนาเทคโนโลยีกรองน้ำและการแยกน้ำออกจากสารละลายเกลือ(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
Credit:
DOI:10.1126/science.1245711
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)
1. University of Manchester. "Graphene's love affair with water: Water filters allow precise and fast sieving of salts and organic molecules." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 February 2014. <
www.sciencedaily.com/releases/2014/02/140213142229.htm>.
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
http://kalikoscience.blogspot.com/
เครื่องกรองน้ำจากกราฟีน
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
Credit: DOI:10.1126/science.1245711
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)
1. University of Manchester. "Graphene's love affair with water: Water filters allow precise and fast sieving of salts and organic molecules." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 February 2014. <www.sciencedaily.com/releases/2014/02/140213142229.htm>.
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
http://kalikoscience.blogspot.com/