เวทีการประชุมวิชาการระดับนานาชาติ Nano Thailand conference 2025 ได้ฉายภาพอนาคตของนวัตกรรมเพื่อความยั่งยืน โดยมีปาฐกถาสำคัญจาก ศาสตราจารย์ ฮิโรมิ ยามาชิตะ แห่งมหาวิทยาลัยโอซาก้า ประเทศญี่ปุ่น ซึ่งได้นำเสนอแนวคิด ตัวเร่งปฏิกิริยาโครงสร้างนาโน (Nano Structured Catalysts) ที่ไม่ได้เป็นเพียงความก้าวหน้าทางวัสดุศาสตร์ แต่เป็นปรัชญาการออกแบบใหม่ ที่จะเปลี่ยนโฉมหน้าอุตสาหกรรมเคมีสีเขียว (Green Chemistry) และการจัดการปัญหาสิ่งแวดล้อมระดับโลก
แนวคิดดังกล่าวเปรียบเสมือนการสร้าง โรงงานเคมีระดับโมเลกุล (Molecular Reactor) ที่สามารถควบคุมปฏิกิริยาเคมีได้ด้วยความแม่นยำในระดับอะตอม โดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดและลดการสูญเสียพลังงานให้เป็นศูนย์
ปรัชญาการออกแบบโรงงานที่เล็กที่สุดในโลก
ศ.ยามาชิตะ อธิบายว่า ความสำเร็จของตัวเร่งปฏิกิริยาแห่งอนาคต ไม่ได้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบใดองค์ประกอบหนึ่ง แต่เป็นการออกแบบ ทั้งระบบ ให้ทำงานสอดประสานกันอย่างสมบูรณ์ ซึ่งประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก คือ
- การออกแบบ จุดเร่งปฏิกิริยา (Active Site) ซึ่งเป็นหัวใจหลักหรือสายการผลิต ที่ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นจริง โดยนักวิทยาศาสตร์ต้องควบคุมสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์และการจัดเรียงตัวของอะตอมอย่างแม่นยำ เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาที่ต้องการเท่านั้น
- การออกแบบ สนามปฏิกิริยา (Reaction Field) หรือสภาพแวดล้อมของโรงงาน พระเอกในส่วนนี้คือ วัสดุรูพรุนระดับนาโน (Nano Porous Material) ซึ่งทำหน้าที่เสมือนฟองน้ำโมเลกุล ที่มีพื้นผิวภายในมหาศาล ช่วยดักจับและเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้น นอกจากนี้ ยังสามารถออกแบบคุณสมบัติพื้นผิวได้ เช่น การกำหนดให้ ชอบน้ำ (Hydrophilic) หรือ ไม่ชอบน้ำ (Hydrophobic) เพื่อคัดเลือกและเร่งปฏิกิริยาที่จำเพาะเจาะจง
- และสุดท้าย คือ การออกแบบ การป้อนพลังงาน (Energy Injection) ที่ไม่ได้จำกัดอยู่แค่ พลังงานความร้อน (Thermal) แบบดั้งเดิม แต่ยังรวมถึงการใช้ แสง (Photo Catalyst) หรือ อิเล็กตรอน (Electron Catalyst) ซึ่งช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้ในอุณหภูมิต่ำ และใช้พลังงานสะอาดยิ่งขึ้น
พลิกโฉมคาร์บอนวายร้ายสู่เชื้อเพลิงมีค่า
หนึ่งในเป้าหมายใหญ่ที่สุดของการออกแบบนี้ คือการรับมือกับวิกฤติสภาพภูมิอากาศโดยตรง โดยการเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจก ให้กลายเป็นวัตถุดิบที่มีมูลค่าทางเศรษฐกิจ เช่น เมทานอล (Methanol) หรือ กรดฟอร์มิก (Formic Acid)
เทคโนโลยีที่ล้ำหน้าที่สุดที่ถูกนำเสนอ คือโครงสร้าง Yolk-Shell ที่มีลักษณะเปรียบเหมือนไข่ดาวขนาดจิ๋ว โดยมี ไข่แดง (ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสม) ลอยอยู่อย่างอิสระภายใน เปลือก (ซึ่งเป็นวัสดุดูดซับคาร์บอน)
โครงสร้างอัจฉริยะนี้ทำหน้าที่เป็นระบบ ครบวงจรในตัว (All-in-One) กล่าวคือ เปลือกนอกจะทำหน้าที่ดักจับ CO2 จากอากาศเข้ามา จากนั้นพอลิเมอร์ที่อยู่ช่องว่างตรงกลางจะกักเก็บและป้อน CO2 นั้นให้กับ ไข่แดง ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อเปลี่ยน CO2 ให้เป็นเชื้อเพลิงหรือสารเคมีที่มีประโยชน์ทันที นี่คือต้นแบบของโรงงานรีไซเคิลคาร์บอนขนาดจิ๋วที่มีประสิทธิภาพสูง
ปลดล็อกเศรษฐกิจไฮโดรเจนและการสังเคราะห์แสงเทียม
นอกจากปัญหา CO2 แล้ว พลังงานไฮโดรเจนซึ่งเป็นความหวังของพลังงานสะอาดยุคถัดไป ก็มีความท้าทายสำคัญด้าน การขนส่ง ตัวเร่งปฏิกิริยานาโนจึงเข้ามามีบทบาทสำคัญในการแก้ปัญหานี้
ศ.ยามาชิตะ ชี้ว่า นักวิจัยกำลังพัฒนา พลาสมอนิก (Plasmonic Catalyst) ที่ใช้โลหะอย่างเงินหรือทอง ซึ่งมีความสามารถพิเศษในการใช้ พลังงานแสง ที่ตามองเห็น มาเร่งปฏิกิริยาเพื่อ ปลดปล่อย ไฮโดรเจนที่ถูกเก็บกักอย่างปลอดภัยในโมเลกุลพาหะ (เช่น แอมโมเนีย หรือ กรดฟอร์มิก) ณ ปลายทางที่ต้องการใช้งาน
ขณะเดียวกัน วัสดุอัศจรรย์อย่าง MOFs (Metal-Organic Frameworks) ซึ่งเป็นวัสดุโครงสร้างผลึกที่มีรูพรุนสูง ก็กำลังถูกใช้เป็นต้นแบบในการ สังเคราะห์แสงเทียม (Artificial Photosynthesis) โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา MOFs ที่ออกแบบมาพิเศษ เพื่อผลิต ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) ซึ่งถือเป็น เชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์ (Solar Fuel) รูปแบบใหม่ที่น่าจับตามอง
จากเวที Nano Thailand 2025 จึงเป็นที่ประจักษ์ชัดว่า อนาคตของการพัฒนาที่ยั่งยืนไม่ได้อยู่ที่การค้นพบวัสดุใหม่เพียงอย่างเดียว แต่อยู่ที่การออกแบบวัสดุเหล่านั้นในระดับนาโนอย่างชาญฉลาด เพื่อสร้างโรงงานโมเลกุล ที่จะมาเป็นเครื่องยนต์สำคัญในการขับเคลื่อนโลกสู่อนาคตสีเขียวอย่างแท้จริง
ข่าวอื่น ๆ ที่น่าสนใจ
เกินกว่าสมรรถนะ: มิชลินชูยุทธศาสตร์ ‘All Sustainable’ สู่วัสดุยั่งยืน 100% ในปี 2050
นาโนเทค เปิดตัว ‘ไบโอชาร์’ นวัตกรรมพลิกของเหลือเกษตร สู่ ‘วัสดุคาร์บอนหมุนเวียน’
