นาโน โนเบล (ตอนที่ 7)

ในอดีตนั้น เคมีสังเคราะห์เป็นศาสตร์ที่วนเวียนอยู่กับการสร้างโมเลกุลที่มีอะตอมเป็นองค์ประกอบอยู่ไม่เกิน 50 อะตอม โดยมีโครงสร้างของโมเลกุลไม่ซับซ้อนนัก แม้กระนั้นก็ตาม กรรมวิธีในการควบคุมโครงสร้างของโมเลกุลเล็กๆ เหล่านั้นให้มีความแน่นอนก็ได้สร้างความมั่งคั่งแก่ผู้ค้นพบเหล่านั้น โมเลกุลที่มีคนรู้จักมากที่สุดในโลกอย่าง แอสไพริน และ ดีดีที เป็นตัวอย่างของความสำเร็จของเคมีสังเคราะห์แบบดั้งเดิม จนกระทั่งเมื่อประมาณ 20 ปีที่แล้วนี่เอง ที่ได้เกิดศาสตร์ใหม่ขึ้นมาท้าทายเคมีสังเคราะห์แบบเก่า นั่นคือ เคมีซูปราโมเลกุล (Supramolecular Chemistry) ศาสตร์แขนงนี้เป็นศาสตร์แห่งการแสวงหาความเข้าใจในปรากฏการณ์ที่โมเลกุลต่างๆ มายึดเกาะกันเกิดเป็นโครงสร้างที่มีขนาดใหญ่ขึ้นที่เรียกว่าซูปราโมเลกุล และผู้ที่ทำให้ศาสตร์แขนงนี้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางก็คือ ศาสตราจารย์ ฌอง มารี เลห์น (Jean-Marie Lehn - รางวัลโนเบลสาขาเคมี ค.ศ. 1987) ท่านเป็นนักเคมีสังเคราะห์ที่บุกเบิกการขยายสเกลจากเคมีที่อยู่แค่ในโลกของอังสตรอม มาสู่โลกระดับนาโน โดยมีความมุ่งมั่นและทุ่มเทศึกษา แสวงหาความเข้าใจในปรากฏการณ์ที่โมเลกุลต่างๆ มายึดเกาะกันเกิดเป็นซูปราโมเลกุล รวมทั้งคิดค้นและพัฒนากระบวนการในการสังเคราะห์อย่างมีประสิทธิภาพ ท่านได้ค้นพบว่าการเกาะกลุ่มกันเป็นซูปราโมเลกุลนี้มิได้ใช้พันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรง หากแต่เป็นแรงระหว่างโมเลกุล (Intermolecular Interactions) ที่มีปริมาณความแข็งแรงน้อยกว่ามาก ผลของการมายึดเกาะกันด้วยทิศทางและระยะทางที่แน่นอนนี้เอง ทำให้ซูปราโมเลกุลที่ได้ มีความเฉพาะตัว และทำหน้าที่อย่างเฉพาะเจาะจงได้ นักวิทยาศาสตร์ในสาขานี้มีส่วนช่วยในการพัฒนาจักรกลนาโนได้อย่างมาก เพราะความรู้เกี่ยวกับแรงระหว่างโมเลกุลที่เฉพาะเจาะจง ได้นำมาสู่ความเข้าใจของกระบวนการประกอบได้เอง (Self Assembly) ในที่สุด นอกจากนั้นแล้วยังช่วยทำให้เข้าใจความเกี่ยวข้องระหว่างโครงสร้างของซูปราโมเลกุลว่ามีความเกี่ยวข้องกับหน้าที่การทำงานได้อย่างไร (Structure-Function Relationship) อันจะนำไปสู่การออกแบบจักรกลนาโนที่ทำหน้าที่ได้เฉพาะเจาะจง

ความก้าวหน้าของศาสตร์ซูปราโมเลกุลในระยะหลังๆนี้ได้มาถึงจุดที่เราสามารถสังเคราะห์โมเลกุลที่มีรูปร่างพิเศษที่สามารถทำหน้าที่เชิงกลได้ โมเลกุลที่สังเคราะห์ขึ้นเหล่านี้แม้จะมีความซับซ้อนน้อยกว่าจักรกลแบบเดร็กซเลอร์มาก แต่ก็ถือว่าเป็นต้นแบบที่ดีเพื่อทำความเข้าใจกลไกการทำงานของจักรกลโมเลกุลที่ใหญ่กว่า อีกทั้งยังอาจนำไปสู่การใช้งานในเชิงวิศวกรรมได้อีกด้วย เช่น โรแท็กเซน กับ แคทีเนน ซึ่งเป็นซูปราโมเลกุลที่เกิดจากโมเลกุลตั้งแต่ 2 โมเลกุลขึ้นไปมาประกอบกันแบบล็อคตาย (Interlocking) คือหนีออกจากกันไม่ได้ โดย แคทีเนน นั้นมีลักษณะเหมือนโซ่มาคล้องกัน ในขณะที่ โรแท็กเซน มีลักษณะเป็นวงแหวนที่มีแกนกลางที่ถูกปิดหัวปิดท้าย ทำให้เคลื่อนที่ออกมาไม่ได้ โมเลกุลชนิดดังกล่าวสามารถควบคุมให้มีการเคลื่อนที่ภายในสัมพัทธ์ต่อกันในลักษณะของจักรกลได้ นอกจากโมเลกุลโรแท็กเซนและแคทีเนนแล้ว ยังมีการสังเคราะห์โมเลกุลที่มีรูปร่างคล้ายกังหันและฟันเฟืองด้วย โดยโมเลกุลเหล่านี้สามารถถูกควบคุมให้หมุนไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งเท่านั้น ความสามารถในการสังเคราะห์ในศาสตร์ของซูปราโมเลกุลนั้นได้ก้าวล้ำไปจนถึงการสังเคราะห์โมเลกุลที่มีรูปร่างเป็นโพรงเหมือนถ้ำเลยทีเดียว โดนมีแกนกลางที่ตัวโพรงนี้สามารถเลื่อนไถลไปมาระหว่าง “สถานี” ได้ จนบางครั้งโมเลกุลเหล่านี้ก็จะได้รับการขนานนามว่า ชัตเติลโมเลกุล (Molecular Shuttle) จากคุณูปการที่กล่าวมาทั้งหมดนี้ เราจึงยกย่องให้ท่านเป็นบิดาแห่งนาโนเคมี (Nanochemistry)

(ภาพด้านล่าง - ปัจจุบันนาโนเคมีมีความก้าวหน้าไปในระดับที่สามารถสังเคราะห์ โมเลกุลที่มีรูปร่างประหลาดๆ เช่น เป็นชัตเติ้ลเหมือนรถไฟฟ้าที่วิ่งไปกลับระหว่างสถานีจอด)