ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวรองรับ (Catalysts and Supports) เป็นวัสดุที่มีความสำคัญในกระบวนการอุตสาหกรรม ดังนั้นทางสาขาเคมีเชิงฟิสิกส์ได้มุ่งเน้นพัฒนาวัสดุดังกล่าวให้มีประสิทธิภาพที่เหมาะสมกับปฏิกิริยาที่สนใจ โดยได้สนใจวัสดุหลากหลายประเภท ได้แก่

1. ซีโอไลต์ (zeolites)

ซีโอไลต์ Zeolites เป็นสารประกอบอลูมิโนซิลิเกต (aluminosilicates) โครงสร้างมีลักษณะเป็นรูพรุน มีโพรง และช่องว่าง ซึ่งเป็นลักษณะพิเศษเฉพาะตัวที่เด่นชัดใน การนำไปใช้ประโยชน์ เช่น การแลกเปลี่ยนไอออน (ion exchange) การดูดซับแก๊ส น้ำ ตลอดจนโมเลกุลสารอินทรีย์ และรวมถึงการเป็นตัวแยกโมเลกุล

คุณสมบัติที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งก็คือ โพรงของซีโอไลต์มี Brønsted acid sites ซึ่งมีสามารถเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) ที่สำคัญในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีได้ เช่น กระบวนการเปลี่ยนแปลง methanol เป็น hydrocarbon (MTO) หรือ กระบวนบวนการ methanol เป็น gasoline (MTG) เป็นต้น นอกจากนั้นยังใช้เป็นตัวดักจับอนุภาคและไอออน ซึ่งนับว่ามีบทบาทในการแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อม

สิ่งสำคัญที่ทำให้ซีโอไลต์มีสมบัติแตกต่างกัน คือ อัตราส่วนของ Si/Al โดย การเปลี่ยนอัตราส่วนของ Si/Al นั้นมีผลต่อความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาและความเสถียรของโครงสร้างซีโอไลต์ การแทนที่ธาตุ Si หรือ Al ด้วยธาตุอื่น เช่น Ge Ga P B และ Fe ในโครงสร้างซีโอไลต์ ทำให้เกิด acidic bridging hydroxyl (Al-OH-Ge, Si-OH-Ga, Si-OH-B) ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลง polarity และ ความเป็นกรดของซีโอไลต์ อิทธิพลขององค์ประกอบและการแทนที่นั้นเป็นปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่งที่ทำให้เราสามารถออกแบบและสังเคราะห์ซีโอไลต์เพื่อนำมาใช้ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ได้ตามต้องการ

2. วัสดุผสมระหว่างโลหะและสารอินทรีย์ (Metal-Organic Materials, MOFs) 

โครงสร้างของวัสดุผสมระหว่างโลหะและสารอินทรีย์ มีส่วนประกอบ พื้นฐาน 2 ส่วน คือ ส่วนที่เป็นสารอนินทรีย์หรือโลหะต่อกับออกซิเจนโดย มีสารอินทรีย์เป็นเหมือนสะพานเชื่อมระหว่างสารอนินทรีย์แต่ละกลุ่ม โดยวัสดุนี้สามารถแบ่งเป็น 2 กลุ่ม คือ Metal-Organic Frameworks (MOFs) และ Metal-Organic Polyhedra (MOP)

Metal-Organic Frameworks (MOFs)
มีโครงข่ายแบบเปิด 3 มิติ ที่ไม่มีที่สิ้นสุด มีพื้นที่ผิวมากประมาณ 4800 ตารางเมตรต่อกรัม ซึ่งถือว่าเป็นโครงสร้างของผลึกที่มีความหนาแน่นน้อยที่สุดเท่าที่มีการศึกษามา

Metal-Organic Polyhedra (MOP)
เป็นโครงข่ายที่มีองค์ประกอบเช่นเดียวกับ MOFs แต่เป็นโครงสร้างแบบปิด ซึ่งถูกกำหนดโดยมุมภายในโครงสร้างของ organic linker เช่น MOP-28 เป็นเกลือของกรด cis, cis-terthiophene-dicarboxylic acid ลักษณะโครงสร้างประกอบด้วยส่วนของสารอนินทรีย์ระหว่าง Cu และ O ที่เป็นรูปกังหัน โดยมีหมู่คาร์บอกซิล และ thiophene จำนวน 3 วงเชื่อมระหว่างแต่ละกลุ่มสารอนินทรีย์

ประโยชน์

- ตัวกักเก็บพลังงานทางเลือก ด้วยคุณสมบัติที่มีรูพรุนและพื้นที่ ผิวสูงจึงเป็นวัสดุหนึ่งที่มีความสามารถในการกักเก็บก๊าซได้ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซมีเทน เพื่อใช้เป็น เชื้อเพลิงในยานพาหนะ คอมพิวเตอร์พกพา โทรศัพท์มือถือ และอุปกรณ์อิเล็กโทรนิกส์ขนาดพกพาต่างๆ
- ตัวดูดซับสารโมเลกุลขนาดเล็กของสารอินทรีย์ เช่น มีเทน เอทิลีน และโพรพีน
- ตัวเร่งปฏิกิริยา

งานวิจัย

ในกลุ่มวิจัยของเราได้ศึกษาสมบัติการดูดซับและปฏิกิริยาของโมเลกุลสาร อินทรีย์บนวัสดุที่มีโครงสร้างผสมระหว่างโลหะและสารอินทรีย์ เพื่อทำนายว่าโครงสร้างแบบไหนของวัสดุชนิดนี้จะมีสมบัติการดูดซับโมเลกุลของสารอินทรีย์ ที่ต้องการได้ดีที่สุด ซึ่งได้ทำการศึกษากลไกการดูดซับมีเทนใน MOF-5 และ อนุพันธ์ชนิดต่างๆ ของ MOF-5 รวมถึงการศึกษาการดูดซับมีเทน เอทิลีนและ โพรพิลีนในโพรงของโครงสร้าง MOP-28

3. Metal Surfaces / Metal Oxide Systems

การศึกษาโครงสร้างและกลไกการเกิดปฏิกิริยาในตัวเร่งปฏิกิริยาชนิด metal oxide นั้นมีความสำคัญในอุตสาหกรรม เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้มีสมบัติเฉพาะตัวที่โดดเด่น ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและชนิดของ metal oxide การประยุกต์ในงานด้านการเร่งปฏิกิริยาที่สำคัญอย่างหนึ่งของ metal oxide ก็คือการมีบทบาทในกระบวนการเปลี่ยนแปลงก๊าซพิษต่างๆ ในอากาศที่เกิดจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ของเครื่อง ยนต์ เช่น สารประกอบ hydrocarbons, CO และ NO_x ให้กลายเป็น CO₂, H₂O และ N₂ ซึ่งเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม โดยกระบวนการการเกิดปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นภายในอุปกรณ์ที่เรียกว่า “catalytic converter” ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้ได้มีการพัฒนาขึ้นมาอย่างต่อเนื่อง โดยส่วนประกอบหลักที่นิยมนำมาใช้กันก็คือ metal oxide ทั้งนี้การเปลี่ยนก๊าซพิษดังกล่าวให้เป็นก๊าซที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม นั้นจะผ่านกระบวนการการเกิดปฏิกิริยาที่เรียกว่า “three-way-catalyst (TWC)” โดยเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยารีดักชันพร้อมๆ กันดังแสดงตามสมการ

Oxidation process:

CH₄ + 2O₂   →    CO₂ + H₂O
2CO + O₂     →   2CO₂

Reduction process:

2CO + 2NO   →     N₂ + 2CO₂

_{ทั้งนี้จากสมบัติเฉพาะตัวที่โดเด่นของโลหะทรานสิชัน (transition metal) แต่ละชนิดในการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ออกซิเดชันและปฏิกิริยารีดักชัน จึงทำให้มีการพัฒนาระบบ metal/metal oxide เพื่อใช้เป็นส่วนประกอบ ของ “catalytic converter” ขึ้น แต่ความรู้ความเข้าใจระดับพื้นฐานของระบบ metal/metal oxide ในระดับโมเลกุลนั้นยังคงขาดแคลนอยู่มาก ดังนั้นการวิจัยเพื่อพัฒนาองค์ความรู้พื้นฐานที่เกี่ยวข้องของระบบ metal oxide ในระดับโมเลกุลจึงมีความสำคัญและจำเป็นอย่างยิ่ง}

โครงสร้างคาร์บอนระดับนาโน (Carbon nanostructures)

โครงสร้างคาร์บอนระดับนาโน เช่น ฟูลเลอรีน (Fullerenes), ท่อคาร์บอนนาโน ผนังชั้นเดียวและผนังหลายชั้น(SWCNTs and MWCNTs), แผ่นกราฟีน (Graphene), กราฟีนออกไซด์ (Graphene oxide), คาร์บอนรูพรุนนาโน (Hierarchical meso-/microporous carbon nanostructures) และอนุพันธ์ต่างๆของโครงสร้างคาร์บอนระดับนาโนที่กล่าวมา มีคุณสมบัติที่โดดเด่นและพิเศษของสมบัติทางเคมีและกายภาพ อิเล็กทรอนิกส์ เชิงกล เชิงแสงและแม่เหล็ก รวมในวัสดุเดียว เช่น พื้นที่ผิวสูง แข็งแรงทนทาน แต่ยืดหยุ่น นำไฟฟ้า นำความร้อนได้ดี ดังนั้นโครงสร้างคาร์บอนระดับนาโน จึงได้รับความสนใจและถูกพัฒนาใช้หลากหลายด้านเช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับผลิต, กักเก็บพลังงานยั่งยืน (sustainable energy applications) เซลล์เชื้อเพลิง, เซลล์แสงอาทิตย์, แบตเตอรี่ และเป็นอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ อีกทั้งยังถูกพัฒนาสำหรับใช้ด้านการแพทย์ เป็นตัวส่งสัญญาณระดับนาโน (biosensors) สำหรับตรวจวัดสารชีวภาพ เช่น เซนเซอร์สำหรับตรวจวัดและบ่งชี้โรคเบาหวาน, โรคมะเร็ง และอื่นๆ ตรวจวัดสารเคมีต่างๆในด้านอาหารและการเกษตร เป็นต้น รายละเอียดในสาขาวิชาเคมีเชิงฟิสิกส์ มีอาจารย์ที่ทำวิจัยด้านนี้ ผศ.ดร. ชมพูนุท วรากุลวิทย์, ดร.ภัทราพร ลักษณ์สิริกุล

1. การศึกษาโครงสร้าง สมบัติทางเคมีและสมบัติทางกายภาพของคาร์บอนนาโนทิวบ์

“คาร์บอนนาโนทิวบ์” เป็นโครงสร้างที่เกิดจากการนำแผ่นอะตอมคาร์บอน ที่เรียกว่า “แผ่นกราฟีน” ซึ่งประกอบไปด้วยอะตอมของคาร์บอนเรียงตัวกัน เป็นรูปหกเหลี่ยมมาม้วนเข้าหากันจนเกิดเป็นท่อคาร์บอนขึ้นโดยทัั่วไปจะพบใน สองลักษณะ คือ ท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว (single-walled carbon nanotube) และ ท่อนาโนคาร์บอนผนังหลายชั้น (multi-walled carbon nanotube) โดยท่อเหล่านี้มีคุณสมบัติที่พิเศษหลายประการขึ้นอยู่กับลักษณะโครงสร้าง และการจัดเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนภายในท่อ

คุณสมบัติ

- single-walled carbon nanotube แข็งแกร่งมากกว่าเหล็กกล้า 60 เท่า
- เบาและยืดหยุ่นได้มาก (1.33 TPa)
- มีสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าและเป็นสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าได้ ขึ้นอยู่กับการบิดตัว ในการม้วนแผ่นกราฟีน
- ทนความร้อนได้มากกว่า 3000 W/mK
- สมบัติ Chemical resistance มีความ เสถียรภาพที่อุณหภูมิสูง 300 - 400 °C ในอากาศ

ประโยชน์

- จากที่คาร์บอนนาโนทิวบ์มีความแข็งแกร่ง แต่มีน้ำหนักเบา จึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการผลิตส่วนประกอบของ เครื่องบินหรืออุปกรณ์กีฬาบางชนิด เช่น ไม้เทนนิส ไม้กอล์ฟ
- จากสมบัติด้านไฟฟ้า สามารถสร้างเป็นตัวนำยิ่งยวด (superconductor) หรือสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ขนาดจิ๋วระดับนาโนเมตรได้ และด้วยสมบัติการเป็นซูเปอร์ คอนดักเตอร์ทำให้คาร์บอนนาโนทิวบ์เป็นทางเลือกสำหรับ การสร้างชิป รวมถึงการนำไปผลิตทรานซิสเตอร์หรือ ผลิต logic gate ในคอมพิวเตอร์ นอกจากนี้คาร์บอน นาโนทิวบ์ยังสามารถเปลี่ยนแปลงสภาพการนำไฟฟ้าได้ เมื่อเกิดอันตรกิริยากับสารอื่น โดยหลักการนี้เองคาร์บอน นาโนทิวบ์จึงถูกนำมาพัฒนาเพื่อผลิต chemical sensor

2. แกรฟีน (Graphene) / แกรฟีนออกไซด์ (Graphene Oxides)        

Computer Assisted Drug Design

เป็นการใช้ระเบียบวิธีการทางคอมพิวเตอร์เพื่อช่วยในการพัฒนาตัวยาใหม่ๆ เนื่องจากในปัจจุบันมีโรคต่างๆ เกิดขึ้นมากมาย ทั้งโรคที่รักษาให้หายขาดได้และโรคที่ไม่สามารถรักษาให้หายขาดได้ ดังนั้นจึงได้มีนักวิจัยหลาย กลุ่มพยายามที่จะคิดค้นและพัฒนาตัวยาใหม่ๆ เพื่อใช้ในการรักษาโรคขึ้นมา ตัวอย่างเช่น การพัฒนายาต้านไวรัสเอชไอวีสำหรับผู้ป่วยโรคเอดส์ ยาต้านมะเร็ง ยาต้านมาลาเรีย หรือการพัฒนายาต้านอัลไซเมอร์ เป็นต้น แต่การที่จะผลิตตัวยาใหม่ๆ ขึ้นมานั้นต้องใช้ต้นทุนในการผลิตสูงและใช้เวลานาน ดังนั้นจึงได้มีการนำระเบียบวิธีการทาง คอมพิวเตอร์มาช่วยในการศึกษาและพัฒนาการออกแบบตัวยาใหม่ๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและลดต้นทุนในการผลิต

เป้าหมายของการพัฒนาตัวยา

• เพื่อที่จะพัฒนาสารประกอบใหม่ๆ ที่มีฤทธิ์เป็นยาให้มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้น
• เพื่อลดผลกระทบข้างเคียง (side effect) ที่เกิดจากการรับประทานยา เช่น ผมร่วง หรือ การทำลายเซลล์ที่ดี เป็นต้น
• เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการต้านทานของยา

งานวิจัยที่ทำการศึกษา

• การศึกษาโครงสร้างและอันตรกิริยาระหว่างเอนไซม์และตัวยับยั้งเพื่อออกแบบยาด้วยระเบียบวิธีทางเคมีคอมพิวเตอร์ โดยยาที่ทำการศึกษามีดังนี้คือ ยาต้านมาลาเรีย ยาแก้อักเสบ ยาต้านไวรัสเอชไอวี ยาต้านมะเร็ง หรือยาต้านอัลไซเมอร์ เป็นต้น
• สร้างความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างกับกัมมันตภาพของการยับยั้งเอนไซม์ โดยใช้ระเบียบวิธี Quantitative Structure Activity Relationship (QSAR)
• ศึกษาและอธิบายอันตรกิริยาที่สำคัญระหว่างตัวยับยั้งกับเอนไซม์ โดยใช้การคำนวณทางเคมีควอนตัมควอนตัม และเคมีควอนตัมแบบผสม
• ศึกษาอันตรกิริยา (เช่น พันธะไฮโดรเจน ) ระหว่างตัวยับยั้ง เอนไซม์กับเอนไซม์ด้วยระเบียบวิธี Molecular Dynamics Simulation (MD)
• ศึกษาโครงสร้างคอนฟอร์เมชันและการวางตัวของตัวยับยั้งภายในโพรงการจับของเอนไซม์์ด้วยระเบียบวิธี Molecular Docking และระเบียบวิธี Molecular Dynamics Simulation
• พัฒนาและออกแบบตัวยับยั้งเอนไซม์เพื่อการสังเคราะห์และทดสอบ ฤทธิ์การยับยั้งเอนไซม์

อาจารย์ที่ทำงานวิจัยด้านนี้

ศ.ดร. สุภา หารหนองบัว  
ผศ.ดร. พัชรีนารถ ทรัพยอาภากร
รศ.ดร. ประภาศิริ พงษ์ประยูร 
 

-