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 ชาวเยอรมัน และ David W.C. MacMillan ชาวอเมริกัน สำหรับงานวิจัยเรื่องตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีอินทรีย์แบบอสมมาตร (Asymmetric organocatalysis) ในการสังเคราะห์สารเคมีบางชนิด สารที่มีสูตรโครงสร้างเดียวกันอาจจะมีโครงสร้างที่สลับด้านกัน คล้ายมือซ้ายกับมือขวาของเราที่เป็นภาพสะท้อนของกันและกัน เราเรียกสารประเภทนี้ว่า Chiral molecule ซึ่งโมเลกุลเหล่านี้อาจจะมีคุณสมบัติที่ต่างกันโดยสิ้นเชิง (เช่น น้ำตาลกลูโคส มี 2 รูป ร่างกายเราย่อย D-glucose ได้ แต่ย่อย L-glucose ไม่ได้ เช่นนี้เป็นต้น) ตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีอินทรีย์นี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทที่ 3 ที่ไม่ใช่ทั้งเอ็นไซม์หรือโลหะ แต่เป็นสารเคมีอินทรีย์โมเลกุลเล็กๆ ที่มีโครงสร้างจำเพาะและมีความอสมมาตรในตัว จึงสามารถเร่งปฏิกิริยาอสมมาตรนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งมีประโยชน์มากสำหรับการสังเคราะห์สารเคมีที่ต้องการความจำเพาะสูง เช่น ยารักษาโรค

ว่าแต่… ตัวเร่งปฏิกิริยาจะช่วยแก้ปัญหาที่บอกไว้ข้างต้นได้อย่างไร?

ประเด็นโลกร้อน และน้ำมันแพง เป็นโจทย์ใหญ่ระดับโลกที่ต้องการความร่วมมือจากนานาชาติในการแก้ปัญหา การผลักดันงานวิจัยด้านตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อความยั่งยืนทางพลังงานและสิ่งแวดล้อมอาจจะเป็นหนึ่งในกลไกเชิงเทคโนโลยีที่จะช่วยแก้เหล่านี้ได้ เช่น การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนของเสียทางเกษตรกรรมให้กลายเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ (bio-based fuel) หรือผลิตภัณฑ์มูลค่าสูง (bio-based fine chemicals) เพื่อทดแทนการใช้ปิโตรเลียม การพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อดักจับ กักเก็บ และใช้ประโยชน์จากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (Carbon Capture Utilization and Storage; CCUS) รวมไปถึงการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับพลังงานสะอาดอื่นๆ เทคโนโลยีเหล่านี้ หากได้รับการผลักดันและสนับสนุนจากทั้งภาครัฐและเอกชน อาจนำไปสู่เทคโนโลยีใหม่ ธุรกิจใหม่ หรือเศรษฐกิจใหม่ ก็เป็นได้

กลุ่มวิจัย Nanocatalysis and Molecular Simulation (NCAS) จากศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (NANOTEC) ของเรามีเป้าหมายเพื่อศึกษาและพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีเพื่อความยั่งยืนทางพลังงานและสิ่งแวดล้อมดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ เพื่อให้ได้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความจำเพาะสูง มีราคาที่แข่งขันได้ในตลาดอุตสาหกรรม และมีความคงทนต่อสภาวะปฏิกิริยาเคมีที่หลากหลาย งานของพวกเราครอบคลุมตั้งแต่การสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา การทดสอบตัวเร่งปฏิกิริยา การศึกษาคุณลักษณะจำเพาะของตัวเร่งปฏิกิริยา (characterization) ด้วยเครื่องมือที่มีความทันสมัย การศึกษาคุณสมบัติของปฏิกิริยาเคมีด้วยแบบจำลองขั้นสูง (Computational chemistry) รวมถึงการจัดเก็บข้อมูลและสร้างเครื่องมือทำนายคุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยปัญญาประดิษฐ์ (Artificial Intelligence; A.I.)

อยากรู้หรือไม่ว่าพวกเราใช้เงินวิจัย (ซึ่งส่วนใหญ่มาจากภาษีของพวกท่าน) ไปทำอะไรกันบ้าง? ขอเชิญกดไลค์ กดฟอล เพื่อติดตามเรื่องราวความคืบหน้าในวงการวิจัยด้านตัวเร่งปฏิกิริยา และอัพเดทผลงานวิจัยระดับแนวหน้า (ที่อธิบายเป็นภาษามนุษย์และไม่ติด paywall) ได้ที่นี่เพจ NCAS นี้ หรือแวะชมเว็บไซต์ของเราได้ที่ www.nanotec.or.th/ncas

#NCASresearch

เรียบเรียงโดย ดร. โชติธัช สรรพิทักษ์เสรี

ภาพโดย ดร. ปองกานต์ จักรธรานนท์

อ้างอิง

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/press-release/