การคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์ภายใต้กลุ่มวิจัย NCAS (ตอนที่ 2)
ในตอนนี้จะเล่าถึงงานวิจัยของกลุ่ม NCAS ที่ประยุกต์ใช้ atomic simulation และวิธีการคำนวณแบบ Density Functional Theory calculations (DFT) สำหรับงานวิจัยในด้าน CO2 Utilization ในหัวข้อการใช้ปฏิกิริยา CO2 electrochemical reduction เพื่อเปลี่ยนก๊าซ CO2 ไปเป็นผลิตภัณฑ์สารเคมีที่มีมูลค่าประเภท hydrocarbons และ oxygenates เช่น ฟอร์เมต มีเทน เมทานอล เอทิลีน และ เอทานอล โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทโลหะฐานคอปเปอร์ Electrocatalytic CO2 reduction เป็นกระบวนการที่มีศักยภาพ เนื่องจากปฏิกิริยาไม่ต้องการความร้อนสามารถเกิดได้ที่อุณหภูมิห้อง ปฏิกิริยาต้องการพลังงานไฟฟ้ามาขับเคลื่อน และยังสามารถใช้พลังงานไฟฟ้าแบบไม่ต่อเนื่องมาขับเคลื่อนปฏิกิริยาได้ ทำให้สามารถใช้พลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานบริสุทธิ์เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ หรือพลังงานลม ได้ จึงก่อให้เกิดการใช้ประโยชน์ CO2 ที่สร้างวงจร Neutral CO2 ได้อย่างแท้จริง อย่างไรก้อตามกระบวนการนี้ยังมีความท้าทายที่ต้องข้ามไปให้ได้ คือ ปริมาณผลิตภัณฑ์ ความเฉพาะเจาะจงต่อชนิดของผลิตภัณฑ์ (selectivity) ที่ผลิตได้ยังต่ำเกินไปสำหรับการ […]
นาโนสารสนเทศและปัญญาประดิษฐ์ ใน ยุค Web 3.0
เราคงคุ้นเคยกับคำว่า ปัญญาประดิษฐ์ หรือ AI เป็นอย่างดี ว่าจะมาช่วยมนุษย์ทำงาน คิดวิเคราะห์ข้อมูล และช่วยในการตัดสินใจ ทำให้เราทำงานได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น เนื่องจาก AI มีความสามารถในการเรียนรู้ ทำให้ตัวมันนั้นฉลาดขึ้น สามารถทำงานได้ไม่มีเหนื่อย ทำแบบซ้ำๆ ได้ไม่เบื่อ และมีข้อผิดพลาดน้อย ด้วยข้อดีเหล่านี้จึงเกิดคำถามว่า AI จะกลายเป็น disruptive technology ที่ทำให้ธุรกิจบางอย่างหายไปหรือไม่ ปัจจุบัน ในบางสาขาอาชีพนั้น เราเริ่มเห็นแล้วว่า AI สามารถเข้ามามีบทบาทและทำได้ดีกว่ามนุษย์เสียอีก แล้วรูปแบบของ AI ในอนาคตจะเป็นแบบไหนกัน? ก่อนจะพูดถึงอนาคตของ AI เราต้องเริ่มจากความเข้าใจในวิวัฒนาการของอินเตอร์เน็ตก่อน ซึ่งสามารถแบ่งเป็น 3 ยุค ได้แก่ Web 1.0 เป็นรูปแบบของอินเตอร์เน็ตในยุคแรก ที่เป็นการให้ข้อมูลแบบทางเดียว (one-way communication) โดยผู้ใช้งานสามารถรับข่าวสารที่เจ้าของ content ได้เตรียมไว้ได้ แต่ไม่มีการตอบโต้แลกเปลี่ยนข้อมูลกันโดยตรง เป็นยุคที่มีการรวมศูนย์กลางของข้อมูล หรือก็คือรูปแบบของอินเตอร์เน็ตในแบบสมัยเก่า ที่เราเข้าไปหาข้อมูลต่างๆ จากในนั้นได้แค่เพียงการอ่านอย่างเดียวเท่านั้น ต่อมา ในยุค […]
การคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์ภายใต้กลุ่มวิจัย NCAS (ตอนที่ 1)
การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีใหม่ๆ เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการเคมี โดยหลักการนั้นไม่ต่างจากการออกแบบรถยนต์ ที่ต้องอาศัยความรู้ความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับการทำงานของเครื่องยนต์ แต่ในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี เครื่องยนต์กลไกที่เป็นหัวใจของการเกิดปฏิกิริยานั้น เป็นผลมาจากแรงอันตรกิริยาที่เป็นแรงดูดหรือแรงผลักระหว่างพื้นผิวของตัวเร่งและโมเลกุลของสาร ซึ่งปรากฎการณ์ดังกล่าวนั้นเกิดขึ้นในระดับนาโนเมตรหรือเล็กกว่า การวิเคราะห์วัสดุที่มาตราส่วนดังกล่าวนั้นมีความซับซ้อนและมักมีข้อกำจัดด้านเครื่องมือ หรือในบางกรณีสมบัติที่สำคัญนั้นยังไม่สามารถวัดได้โดยเครื่องมือที่มีอยู่ในปัจจุบัน ทางเดียวที่นักวิจัยจะทำความเข้าใจคุณสมบัติของวัสดุเชิงลึกได้ คือผ่านการคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์ ในบทความนี้ เราจะมาเล่าถึงงานวิจัยใน NCAS ที่นำการคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์มาใช้แก้โจทย์ที่สำคัญเชิงเคมีและวัสดุ เพื่อนำไปสู่องค์ความรู้เชิงลึกที่ประยุกต์ใช้จริงได้ในอุตสาหกรรม การคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์ เป็นศาสตร์ซึ่งเกิดจากวิชาพื้นฐานของทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) และทฤษฎีกลศาสตร์สถิติ (Statistical Mechanics) โดยการคำนวณเชิงคอมพิวเตอร์จะเป็นการจำลองโครงสร้างวัสดุในสามมิติและการคำนวณเคมีควอนตัมผ่านซอฟต์แวร์การคำนวณ ซึ่งสามารถใช้อธิบาย และทำนายคุณสมบัติทางโครงสร้าง คุณสมบัติเชิงแสง สมบัติทางอุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) พลังงานจลน์ พลังงานความร้อน ความว่องไวในการเกิดปฏิกริยาเคมี ของวัสดุที่สนใจ ซึ่งจะทำให้นักวิจัยเข้าใจจากรากฐานถึงแรงอันตรกิริยาระหว่างอะตอม โมเลกุล องค์ประกอบของวัสดุ ตลอดจนโครงสร้างและปัจจัยที่มีผลต่อสมบัติในด้านต่างๆ เช่น ความแข็งแรง การนำไฟฟ้า ความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาเคมีและอันตรกิริยาทางชีวภาพ และในที่สุดจะนำไปสู่ความสามารถในการทำนายและออกแบบโครงสร้างวัสดุนาโนให้มีสมบัติที่พึงประสงค์ เหมาะกับการประยุกต์ใช้งานเฉพาะด้านต่างๆ โดยที่ผ่านมาเทคนิคนี้ได้มีส่วนช่วยในการพัฒนาอุตสาหกรรมที่เกี่ยวกับนาโนเทคโนโลยีในหลากหลายด้าน ได้แก่ อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ เคมี พอลิเมอร์ ปิโตรเคมี และยา เป็นต้น ทีมวิจัยการคำนวณระดับนาโน (Nanoscale […]
ทีมวิจัยนาโนเทค ออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยานาโนแม่นยำสูง เพื่อเปลี่ยนก๊าซ CO2 เป็นสารเคมีมากมูลค่า
ณ วินาทีนี้ พวกเราคงทราบกันดีแล้วว่า ภาวะโลกร้อนนั้นไม่ใช่เรื่องเล่นๆ อีกต่อไป ทางออกเดียวคือพวกเราจะต้องช่วยกันลดปริมาณก๊าซเรือนกระจก โดยเฉพาะก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ที่สะสมในชั้นบรรยากาศอย่างเร่งด่วน แน่นอนว่าวิธีการแก้ปัญหาในอุดมคติคือการหยุดปลดปล่อย CO2 ในทันที แต่ในความเป็นจริง เราไม่อาจทำเช่นนั้นได้ เพราะกิจกรรมเชิงเศรษฐกิจและสังคมทุกประเภทล้วนเกี่ยวข้องกับการปลดปล่อย CO2 ไม่ว่าทางใดทางหนึ่ง แต่หากเราสามารถนำก๊าซ CO2 มาใช้ประโยชน์ได้ แทนที่จะปลดปล่อยมันออกไปล่ะ? นั่นคือโจทย์ที่ทีมวิจัย NCAS จากศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ นำโดย ดร. ศรัณญา จันทราภิรมย์ และคณะ ร่วมกับภาควิชาเคมี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี พยายามแก้ ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถเปลี่ยนก๊าซ CO2 โดยใช้พลังงานไฟฟ้า (Electrochemical CO2 reduction reaction, CO2RR) ไปเป็น เอทิลีน และเอทานอล ซึ่งเป็นสารเคมีสำคัญในกระบวนการผลิตพลาสติกและเชื้อเพลิง โดยการเปลี่ยน CO2 เป็นสารเคมีด้วยพลังงานไฟฟ้านั้นเป็นส่วนหนึ่งของเทคโนโลยีการดักจับ การใช้ประโยชน์ และกักเก็บคาร์บอน (Carbon capture, Utilization, and Storage, […]
นักวิจัยนาโนเทค พัฒนาโมเดลที่อธิบายกลไกการเปลี่ยน CO2 เป็นเอทิลีนและเอทานอลด้วยไฟฟ้า
นักวิจัยนาโนเทค พัฒนาโมเดลที่อธิบายกลไกการเปลี่ยน CO2 เป็นเอทิลีนและเอทานอลด้วยไฟฟ้า ทำให้เข้าใจว่าขั้นตอนไหนเป็นตัวกำหนดความไวของปฏิกิริยา และนำมาใช้ออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาลดโลกร้อนที่ดีขึ้นได้ #TLDR … ทุกคนคงจะทราบดีว่าตัวการของ “ภาวะโลกร้อน” ที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศซึ่งส่งผลกระทบอันใหญ่หลวงต่อระบบนิเวศ คือการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) จากกิจกรรมของมนุษย์ แม้ว่าทีมวิจัยของเราไม่อาจมีส่วนร่วมผลักดันนโยบายเพื่อลดการปล่อยก๊าซ CO2 โดยตรง แต่เรามุ่งมั่นที่จะพัฒนางานวิจัยเพื่อเป็นรากฐานในการแก้ปัญหาที่สำคัญยิ่งนี้ เทคโนโลยีการดักจับ กักเก็บ และการนำ CO2 ไปใช้ประโยชน์ (Carbon capture, utilization, and storage; CCUS) เป็นโจทย์ที่พวกเราพยายามผลักดันอย่างยิ่ง เพราะนอกจากจะช่วยลดปริมาณการปลดปล่อยก๊าซ CO2 ยังเปลี่ยน CO2 เจ้าปัญหา ไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าและนำไปใช้ประโยชน์ได้ หนึ่งในวิธีนำ CO2 ไปใช้ประโยชน์ที่น่าสนใจมาก คือการเปลี่ยน CO2 ไปเป็นสารเคมีที่มีความต้องการในอุตสาหกรรมสูง ได้แก่ เอทิลีน และ เอทานอล ด้วยปฏิกิริยารีดักชันเชิงเคมีไฟฟ้า (electrochemical CO2 reduction reaction, CO2RR) ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้านี้มีจุดเด่นคือ สามารถเกิดได้ที่อุณหภูมิห้อง […]
5 เทคโนโลยีรับมือน้ำมันรั่วลงทะเล
เหตุการณ์น้ำมัน 20-50 ตัน รั่วไหลจากท่อใต้ทะเลสู่ทะเลอ่าวไทย บริเวณมาบตาพุด จังหวัดระยอง ในวันที่ 25 ม.ค. 2565 ที่ผ่านมา นั้นไม่ใช่เรื่องเล่นๆแม้แต่น้อย เพราะน้ำมันที่รั่วไหลนั้นมีปริมาณมาก แถมยังเป็นเหตุการณ์น้ำมันรั่วลงทะเลไทยครั้งที่ 2 ของปี (ทั้งๆที่ยังไม่ทันพ้นเดือนมกราคม 2022!) ต่อจากเหตุการณ์เรือบรรทุกน้ำมันอับปางใกล้ปากน้ำชุมพร ไม่ใช่แค่ทะเลไทยที่โชคร้ายเจออุบัติเหตุเหล่านี้ จากสถิติของโลกแสดงให้เห็นว่าในสิบปีที่ผ่านมา ทะเลโลกต้องรับน้ำมันรั่วขนาดกลาง (ตั้งแต่ 7 ตันขึ้นไป) เฉลี่ยถึง 5 ครั้งต่อปี [1] โดยอุบัติเหตุน้ำมันรั่วลงทะเลที่ยิ่งใหญ่ที่สุดนั่นคือ เหตุระเบิดบนแท่นขุดน้ำมัน Deepwater Horizon ของ BP ซึ่งปล่อยน้ำมันรั่วไหลลงในอ่าวเม็กซิโก สหรัฐอเมริกา มากกว่า 6 แสนตัน [2] ถึงแม้เราจะยังป้องกันอุบัติเหตุน้ำมันรั่วไม่ได้ 100% (และคงยังต้องระวังกันต่อไปจนกว่าเราจะเลิกใช้น้ำมัน) แต่เราสามารถถอดบทเรียนการจัดการน้ำมันรั่วได้ เพื่อลดผลกระทบต่อระบบนิเวศทางทะเลและชายฝั่งให้ได้มากที่สุด ในบทความนี้เราจะมาดูกันว่า เทคโนโลยีในการจัดการน้ำมันรั่วไหลที่ยอดนิยม 5 อันดับ นั้นมีอะไรบ้าง และมีหลักการอย่างไร 1 – […]
น้ำมันหล่อลื่นชีวภาพจากน้ำมันปาล์ม นวัตกรรมเคมีชีวภาพไทยที่จับต้องได้
น้ำมันหล่อลื่นชีวภาพจากน้ำมันปาล์ม นวัตกรรมเคมีชีวภาพไทยที่จับต้องได้ สู่อนาคตของอุตสาหกรรม BCG ในอุตสาหกรรมทั่วโลกมีความต้องการใช้สารหล่อลื่น (lubricant) ไม่ต่ำกว่า 30 ล้านตันต่อปี คิดเป็นมูลค่าทางการตลาดสูงกว่า 4.7 ล้านล้านบาทต่อปี สำหรับประเทศไทย มูลค่าตลาดของสารหล่อลื่นในไทยอยู่ที่ไม่ต่ำกว่า 6 หมื่นล้านบาทต่อปี (เกือบ 0.4% ของ GDP ประเทศไทยในปี 2020) โดย 95% ของสารหล่อลื่นเหล่านั้น ถูกผลิตมาจากแหล่งปิโตรเลียมซึ่งเป็นทรัพยากรที่มีจำกัด ไม่สามารถหมุนเวียนในระบบได้ (non-renewable) และไม่สามารถย่อยสลายได้เองตามธรรมชาติ ซึ่งเป็นปัญหาอย่างยิ่งเพราะสารหล่อลื่นที่ถูกใช้งานแล้วมักจะตกค้างในสิ่งแวดล้อม ดังนั้น เพื่อตอบโจทย์การพัฒนาและขับเคลื่อนเศรษฐกิจของประเทศไทยภายใต้ BCG model กลุ่มผลิตภัณฑ์สารหล่อลื่นชีวภาพ (biolubricant) ที่ผลิตจากวัตถุดิบกลุ่มน้ำมันปาล์มและชีวมวลในประเทศ จะช่วยเพิ่มการใช้ประโยชน์จากน้ำมันปาล์ม และสร้างทางเลือกใหม่ๆ ให้กับผู้ประกอบการธุรกิจด้านเชื้อเพลิงชีวภาพและปิโตรเคมีได้ ทีมวิจัยจากกลุ่มวิจัยการเร่งปฏิกิริยาและการคำนวณระดับนาโน (NCAS) ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (NANOTEC) โดย ดร. จีรติ อบอาย ดร.กนกวรรณ ใจเอ็นดู และ ดร. วรนุช อิทธิเบญจพงศ์ […]
เล่นแร่แปรวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง
นักวิจัยนาโนเทคค้นพบสูตรการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง ตั้งแต่ 0 ถึง 3 มิติ ไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO2) คือตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงที่ถูกใช้อย่างกว้างขวางที่สุดในเกือบทุกๆ เทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวแสงอาทิตย์ เช่น การสังเคราะห์แสงเทียมเลียนแบบพืช (Artificial Photosynthesis) โซลาร์เซลล์ การผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากการแยกโมเลกุลน้ำด้วยแสง วัสดุทำความสะอาดตัวเองด้วยแสง วัสดุฆ่าแบคทีเรียด้วยแสง กระจกปรับแสงได้เอง และ เซนเซอร์แสง เป็นต้น ปัจจัยสำคัญที่ทำให้ TiO2 ได้รับความสนใจอย่างมากตลอดมา คือราคาและความทนทาน แต่ TiO2 เองยังคงมีช่องว่างเชิงประสิทธิภาพให้นักวิจัยเชิงวัสดุสามารถพัฒนาให้ดีขึ้นได้อีก ปัจจัยสำคัญที่กำหนดประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง คือ วัสดุต้องมีคุณสมบัติในการขนส่งประจุที่ดี และมีพื้นที่ผิวในการทำปฏิกิริยาสูง แต่เป็นเรื่องที่ยากมากที่ตัวเร่งปฏิกิริยาใดๆจะมีคุณสมบัติทั้งสองประการนี้ดีไปพร้อมๆกันในวัสดุชิ้นเดียว ยกตัวอย่างเช่น วัสดุที่เป็นผลึกเดี่ยว (single-crystalline materials) จะมีการขนส่งประจุที่ดี เนื่องจากมีการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึกอย่างเป็นระเบียบ แต่วัสดุที่เป็นผลึกเดี่ยวมักจะมีพื้นที่ผิวในการทำปฏิกิริยาต่ำ ในทางกลับกัน วัสดุที่เป็นพหุผลึก (poly-crystalline materials) มักจะมีพื้นที่ผิวสูง แต่การจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึกไม่เป็นระเบียบ ทำให้การขนส่งประจุไม่ดีและมีประสิทธิภาพโดยรวมต่ำ ถึงแม้การพัฒนาวัสดุที่มีสมบัติทั้งสองที่ดีเลิศจะเป็นเรื่องยาก แต่ไม่ใช่ว่าจะเป็นไปไม่ได้ ดร. ธีระ บุตรบุรี […]
ตัวเร่งปฏิกิริยา(อาจ)เป็นคำตอบ
โลกร้อน! น้ำมันแพง! ค่าแรงถูก! ปัญหาเหล่านี้ (อาจ) มี catalyst เป็นคำตอบ! “Catalyst” หรือ “ตัวเร่งปฏิกิริยา” มีความหมายตรงตัวคือ เป็นสิ่งที่ช่วยเร่งปฏิกิริยาให้เกิดเร็วขึ้น ปฏิกิริยาเคมีทั้งหลายที่มีความสำคัญต่อชีวิต หากไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยามักจะไม่สามารถเกิดได้เองตามธรรมชาติ หรือเกิดได้อย่างเชื่องช้า และใช้เวลานานนับเดือนหรือนับปีกว่าที่เราจะได้ผลิตภัณฑ์ในปริมาณที่ต้องการ กระบวนการทางเคมีที่เรียกว่า “Catalysis” หรือ “การเร่งปฏิกิริยา” จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง เพราะมันทำหน้าที่เปลี่ยนกลไกในการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งนำไปสู่การลดพลังงานในการเกิดปฏิกิริยาจึงสามารถเร่งปฏิกิริยาให้เร็วขึ้นได้ อาจกล่าวได้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเปรียบเสมือนเครื่องทุ่นแรง ทำให้สารเคมีเกิดการแตกตัวและรวมตัวขึ้นเป็นสารเคมีชนิดใหม่ได้ง่ายขึ้นอย่างมาก ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของคนเรามีหลากหลาย ตั้งแต่เอ็นไซม์สารพัดชนิดในร่างกาย ซึ่งจัดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ หรือตัวเร่งปฏิกิริยากลุ่มโลหะที่ใช้อย่างหลากหลายในอุตสาหกรรม เช่น โลหะแพลตินัมในเครื่องฟอกไอเสียในรถยนต์ (catalytic converter) ที่ทำหน้าที่กำจัดก๊าซพิษจากท่อไอเสีย ตัวเร่งปฏิกิริยานิเกิลที่ใช้ในกระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจน จากปฏิกิริยาระหว่างก๊าซมีเทนและไอน้ำ (ปฏิกิริยา steam reforming) ซึ่งมีความสำคัญยิ่งต่อกระบวนการผลิตสารเคมีและเชื้อเพลิง หรือตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็ก ที่ใช้ในกระบวนการผลิตแอมโมเนียจากปฏิกิริยาระหว่างก๊าซไนโตรเจนในอากาศและก๊าซไฮโดรเจน (ปฏิกิริยา Haber–Bosch) อันเป็นสารตั้งต้นของปุ๋ยบำรุงพืช ซึ่งการค้นพบปฏิกิริยานี้ทำให้เราสามารถทำเกษตรกรรมขนาดใหญ่และผลิตอาหารเพียงพอเลี้ยงคนทั้งโลกได้ นอกจากตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพและตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่ใช้ในชีวิตประจำวันแล้ว หลายคนอาจจะเคยได้ยินข่าวว่ารางวัลโนเบลสาขาเคมีปีล่าสุดนี้ (2021) ตกเป็นของนักเคมีอินทรีย์ Benjamin List […]