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)

นาโน โนเบล (ตอนที่ 6)

บุคคลที่ nanothailand จะกล่าวถึงต่อในวันนี้ ท่านเป็นบุคคลเดียวในชุดบทความนาโน โนเบล ที่ไม่ใช่นักวิทยาศาสตร์โนเบล แต่คุณูปการที่ท่านได้ก่อไว้เพื่อการพัฒนานาโนเทคโนโลยี ทำให้ท่านเป็นบุคคลที่สมควรกล่าวถึงในระดับเดียวกับผู้ที่ได้รับรางวัลโนเบล


ในปี ค.ศ. 1986 เดร็กซเลอร์ (K. Eric Drexler)ได้แต่งหนังสือเรื่อง “เครื่องจักรต้นกำเนิด กับการมาของยุคนาโนเทคโนโลยี” (The Engine of Creation: The coming Era of Nanotechnology) ซึ่งนับเป็นหนังสือเล่มแรกของโลกทางด้านนาโนเทคโนโลยี ในครั้งนั้นได้มีการนิยามความหมายของคำว่านาโนเทคโนโลยีเป็นครั้งแรก นับตั้งแต่ปาฐกถาก้องโลกของ ริชาร์ด ฟายน์แมน ประเด็นสำคัญของหนังสือเล่มนั้นได้กล่าวถึงเครื่องจักรที่มีขนาดเล็กมากๆ จนไม่สามารถมองเห็นได้ โดยที่มันสามารถถูกโปรแกรมให้ปฏิบัติภารกิจต่างๆได้ตามสั่ง นอกจากขนาดแล้ว สิ่งที่มันต่างจากเครื่องจักรกลยุคปัจจุบันก็คือ การสร้างและผลิตเครื่องจักรจิ๋วเหล่านี้จะถูกมากๆ เพราะเครื่องจักรกลเหล่านั้นสามารถแพร่พันธ์หรือทำซ้ำตัวเองได้ เดร็กซเลอร์เป็นคนที่มีพลัง ความฝัน และหัวใจที่เปี่ยมล้นไปด้วยจินตนาการ เขาเดินตระเวณไปทั่วสถาบันเทคโนโลยีแห่งแมสซาจูเซตต์ หรือ MIT เพื่อหาหลักสูตรปริญญาเอกทางด้านนาโนเทคโนโลยี ซึ่งขณะนั้น ไม่มีหลักสูตรทางด้านนี้ในโลกเลย แต่แล้วในที่สุดศาสตราจารย์ มาร์วิน มินสกี้ (Marvin Minsky) ก็รับเขาเป็นศิษย์ โดยให้ทำวิทยานิพนธ์ในหัวข้อ “จักรกลและการผลิตระดับโมเลกุล และงานประยุกต์สู่การประมวลผล” (Molecular Machinery and Manufacturing with Applications to Computation) ซึ่งทำให้เขาได้รับการประสาทปริญญาเอกเมื่อปี ค.ศ. 1991 ในสาขา นาโนเทคโนโลยีเชิงโมเลกุล (Molecular Nanotechnology) และนับแต่นั้นมาเดร็กซเลอร์ก็ได้รณรงค์ให้เกิดความตื่นตัวในเรื่องของนาโนเทคโนโลยีมาโดยตลอด ในปี ค.ศ. 1992 เขาได้แต่งหนังสือชื่อ “ระบบนาโน: จักรกลโมเลกุล, การผลิตระดับโมเลกุล และการประมวลผล” (Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation) ซึ่งถือเป็นแลนด์มาร์กของศาสตร์ทางด้านวิศวกรรมโมเลกุลเลยทีเดียว


อย่างไรก็ตาม วิศวกรรมโมเลกุลแบบเดร็กซเลอร์นั้นก็ใช่ว่าจะได้รับการยอมรับอย่างราบรื่น โดยเฉพาะท่านมักจะถูกวิพากษ์วิจารณ์บ่อยๆ จากนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบล ริชาร์ด สมอลลีย์ (Richard Smalley) (ผู้ค้นพบบักกี้บอล) ในเรื่องความเป็นไปได้ และยังถูกกล่าวหาอย่างรุนแรงว่าแนวคิดเกี่ยวกับตัวทำซ้ำหรือ Replicator นั้นเป็นเรื่องไร้สาระ ในปี ค.ศ. 2003 เดร็กซเลอร์ได้เขียนจดหมายเปิดผนึกโต้ตอบกับสมอลลีย์อย่างเผ็ดร้อน โดยลงตีพิมพ์ในวารสาร Chemical Engineering News ฉบับ 1 ธันวาคม พ.ศ. 2003 ซึ่งเป็นวารสารที่มีคนอ่านมากทั้งในวงการวิชาการและอุตสาหกรรม อีกทั้งยังมีการแลกหมัดทางวาจา ระหว่างสาวกของทั้ง 2 ฝ่ายในเว็บบอร์ดต่างๆ อย่างดุเด็ดเผ็ดมัน ซึ่งสุดท้ายแล้วได้นำไปสู่การเสียชื่อเสียงของทั้งสองฝ่าย และทำให้เกิดความบาดหมางระหว่างศาสตร์ทางด้านเคมีสังเคราะห์กับวิศวกรนาโนในวงกว้าง โดยเฉพาะประเด็นในเรื่องความใจแคบของนักเคมีสังเคราะห์ที่มองโลกเป็นแค่ด้านเดียว เพราะในท้ายที่สุดแล้ว ทางรัฐสภาอเมริกันก็มีมติให้ทำการศึกษาความเป็นไปได้ของจักรกลโมเลกุลตามแนวคิดของเดร็กซเลอร์


จักรกลโมเลกุลตามแนวคิด Drexler เป็นเรื่องที่ยาก แต่ก็จุดประกายความฝันได้ดี ในช่วงเวลาที่ผ่านมา มันได้ช่วยกระตุ้นความอยากรู้ อยากเห็น อยากทำวิจัยของนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก และจะยังคงเป็นเช่นนี้ต่อไป ...................