การศึกษาแบบจำลองโมเลกุลทางคอมพิวเตอร์ของวัสดุไฮบริดนาโนคาร์บอนและโมเลกุลของสารระเหยเพื่อออกแบบและพัฒนาประสิทธิภาพก๊าซเซนเซอร์

บทคัดย่อ

ในการตรวจวัดสารอินทรีย์ระเหยง่ายซึ่งเป็นปัญหามลพิษทางอากาศที่สำคัญของชุมชนที่พักอาศัยอยู่ใกล้นิคมอุตสาหกรรมต่าง ๆ ในประเทศไทย โดยการพัฒนาวัสดุตรวจวัดกลุ่มนาโนคาร์บอนให้มีความไวและจำเพาะเจาะจงต่อโมเกลกุลสารอินทรีย์ระเหยง่ายที่แตกต่างกันเป็นหัวใจสำคัญของการพัฒนาประสิทธิภาพก๊าซเซนเซอร์ การศึกษาการจำลองโมเลกุลทางคอมพิวเตอร์เป็นหนึ่งในเครื่องมือที่สำคัญ ในงานวิจัยนี้ได้ใช้การผสมผสานระเบียบวิธีการคำนวณและวิเคราะห์ผลเชิงบูรณาการที่มีจุดเด่นหลากหลายเข้าด้วยกัน ได้แก่ วิธีการคำนวณแบบจำลองโมเลกุลในระดับแอบอินิชิโอ (ab initio calculations) ระเบียบวิธีฟังก์ชัลนัลความหนาแน่น (density functional theory: DFT) และการจำลองพลวัติของโมเลกุล (MD simulations) เพื่อเปรียบเทียบเสถียรภาพทางโครงสร้าง พลังงาน รวมถึงพลังงานยึดติดระหว่างโมเลกุลองค์ประกอบสารระเหยง่ายและวัสดุไฮบริดนาโนคาร์บอนชนิดต่าง ๆ สมบัติที่เกี่ยวข้องกับพลังงานสถานะพื้นของวัสดุเซนเซอร์ทั้งเชิงโครงสร้าง พลังงาน และสถานะการจัดเรียงอิเล็กตรอนและกลไกการตรวจวัดที่เป็นไปได้ ซึ่งจะนำไปสู่การออกแบบโครงสร้างของวัสดุเซนเซอร์ที่มีความจำเพาะเจาะจง งานวิจัยได้องค์ความรู้เกี่ยวกับระเบียบวิธีการคำนวณที่ใช้อย่างเป็นระบบ และข้อมูลสมบัติเชิงโครงสร้าง พลังงาน และพื้นผิวของวัสดุนาโนคาร์บอนโดยใช้แกรฟีนและแกรฟีนเจืออะตอม N P และ S รวมทั้งหมด 18 รูปแบบ และสารอินทรีย์ระเหยง่ายจำนวน 10 ชนิดโมเลกุล นอกจากนี้ได้นำเสนอแนวทางการออกแบบวัสดุเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพก๊าซเซนเซอร์ และมีความจำเพาะเจาะจงต่อชนิดของสารระเหยแต่ละชนิด ได้แก่ (1) ถ้าเน้นศึกษาสมบัติบริเวณที่ว่องไวของพื้นผิว พบว่าขึ้นอยู่กับขนาดและพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างโมเลกุลเป้าหมายเป็นหลัก (2) ถ้าเน้นศึกษาอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุล VOCs พบว่า ขึ้นอยู่กับชนิดและความมีขั้วของหมู่ฟังก์ชันนัลโมเลกุลเป้าหมายเป็นหลัก และพบกว่าการคำนวณโมเลกุลเชิงพลวัติสามารถใช้ศึกษากลไกในระดับโมเลกุลของ VOCs ก๊าซเซนเซอร์ได้เป็นอย่างดี องค์ความรู้ที่ได้เป็นประโยชน์ในการสังเคราะห์วัสดุเซนเซอร์จริงที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งจะช่วยยกระดับศักยภาพการผลิตอุปกรณ์หรือวัสดุเซนเซอร์ภายในประเทศต่อไป

คำสำคัญ