เล่มที่ 32
นาโนเทคโนโลยี
สามารถแชร์ได้ผ่าน :
หลักการพื้นฐานของนาโนเทคโนโลยี
นาโนเทคโนโลยีเกิดขึ้นจากการผสมผสานระหว่างศาสตร์กับศิลป์หลายแขนง ที่เกี่ยวข้องกับ การจัดการกับอะตอม หรือโมเลกุลโดยตรง ไม่ว่าจะเป็นการเคลื่อนย้ายหรือจัดเรียงตำแหน่งของอะตอม การประกอบกันหรือการแยกออกจากกัน ของอะตอม การทำปฏิกิริยา (reaction) หรือการเกิดอันตรกิริยา (interaction) ระหว่างอะตอม เพื่อสร้างสิ่งต่างๆ ในระดับขนาดนาโน โดยกระบวนการเหล่านี้ต้องอาศัยความแม่นยำ ความเที่ยงตรง และความละเอียดสูงมาก ซึ่งกระบวนการดังกล่าวนี้ อาจทำให้สำเร็จได้โดยการใช้ปฏิกิริยาเคมี (chemical reaction) หรือกระบวนการเชิงกล (mechanical process) หรือกระบวนการของการลอกเลียนแบบธรรมชาติ (biomimitic process) ในการสังเคราะห์สิ่งต่างๆ หมายถึง การนำหลักการพื้นฐานของนาโนเทคโนโลยีที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติจากสัตว์หรือสิ่งต่างๆ รอบๆ ตัวเรา มาประยุกต์ใช้ สร้างและสังเคราะห์สิ่งต่างๆ เช่น
- ปีกผีเสื้อ นำหลักการเปลี่ยนสีปีกมาใช้ในการสร้างเสื้อผ้าป้องกันความร้อน
- เปลือกหอย นำธรรมชาติของเปลือกหอยที่มีความแข็งแรง และทนทานต่อแรงกระแทก มาใช้ผลิตนาโนเซรามิก
- ใบบัว ด้วยคุณสมบัติที่ไม่เปียกน้ำ นักวิทยาศาสตร์นำหลักการของน้ำกลิ้งบนใบบัว (lotus effect) มาประยุกต์ใช้ผลิตสีทาบ้าน รวมถึงเสื้อผ้ากันน้ำ ไร้รอยคราบสกปรก
วิธีการสร้างหรือการผลิตแบบนาโนเทคโนโลยี
เริ่มจากการนำหรือเหนี่ยวนำให้อะตอม มาเรียงตัวกันอย่างเหมาะสม จนเกิดเป็นวัสดุ หรือสิ่งของ ที่ต้องการ เรียกว่า วิธีแบบล่างขึ้นบน (Bottom-up approach) ซึ่งตรงกันข้ามกับวิธีที่มักใช้ในการผลิตแบบดั้งเดิมที่ใช้กันมาแล้ว ตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน เรียกว่า วิธีแบบบนลงล่าง (Top-down approach) ความแตกต่างของวิธีการทั้ง ๒ แบบ อาจแสดงได้ด้วยตัวอย่าง ดังนี้
ตัวอย่างที่ ๑
ในการผลิตไม้จิ้มฟัน หากเป็นวิธีการผลิตแบบบนลงล่าง เราจะนำชิ้นไม้มาเหลาให้เล็กลง จนได้ขนาดที่ต้องการ แต่ถ้าเป็นวิธีการผลิตแบบล่างขึ้นบน เราจะนำอะตอม หรือโมเลกุลของไม้ มาจัดเรียงรวมกลุ่มให้มีขนาดใหญ่ขึ้น จนมีรูปร่างเป็นไม้จิ้มฟัน
ตัวอย่างที่ ๒
ในการผลิตภาชนะจานชามกระเบื้อง ถ้าเป็นวิธีการผลิตแบบบนลงล่าง เราจะนำก้อนดินเหนียวมาปั้น ขึ้นรูปด้วยมือ หรือใส่ลงในแบบ ให้กลายเป็นภาชนะจานชามตามรูปร่างที่ต้องการ แล้วนำไปเผา และเคลือบจนเป็นจานชามในขั้นตอนสุดท้าย แต่ถ้าเป็นวิธีการแบบล่างขึ้นบน เราจะนำอะตอม หรือโมเลกุลของวัตถุดิบที่ใช้ มาจัดเรียงรวมกลุ่ม ให้กลายเป็นจานชาม ตามต้องการได้ ในขั้นตอนเดียว
การเปรียบเทียบวิธีการผลิตหรือสังเคราะห์วัตถุจากสารตั้งต้น โดยอยู่บนพื้นฐานของปรัชญาการผลิตทั้ง ๒ แบบ ด้านซ้ายเป็นแบบบนลงล่าง และด้านขวาเป็นแบบล่างขึ้นบน โดยด้านขวาถือว่าเป็นหัวใจหลักของวิธีการผลิตแบบนาโนเทคโนโลยี
ข้อดีของการผลิตแบบล่างขึ้นบน
ประการแรก คือ ลดส่วนที่เหลือใช้หรือของเสีย ทำให้สามารถประหยัดวัตถุดิบ ที่นำมาจากทรัพยากรธรรมชาติได้มาก
ประการที่สอง คือ สามารถประหยัดพลังงานในการผลิต เนื่องจากกระบวนการผลิต เป็นไปอย่างแม่นยำ และจำเพาะเจาะจง พลังงานจึงถูกนำมาใช้ เพื่อสนองจุดประสงค์ ที่ต้องการเท่านั้น ดังนั้น ปรัชญาการผลิตแบบล่างขึ้นบนนี้ จึงถือเป็นหัวใจสำคัญ ของกระบวนการผลิต โดยใช้นาโนเทคโนโลยี การที่จะเข้าใจเรื่อง นาโนเทคโนโลยี ได้ชัดเจนยิ่งขึ้น จำเป็นต้องเข้าใจเรื่องศาสตร์นาโน ซึ่งถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเป็นรากฐานหรือองค์ความรู้พื้นฐาน ที่จะนำไปต่อยอด เป็นเทคโนโลยีใหม่ โดยเฉพาะที่เกี่ยวกับสมบัติของระบบหรืออนุภาคนาโน ศาสตร์นาโนดังกล่าว ประกอบด้วย
๑. ขนาดนาโน และสมบัติ (nanosize and properties)
อนุภาคนาโนมีขนาดเล็กมากประมาณ ๑ - ๑๐๐ นาโนเมตร เมื่อเปรียบเทียบกับสิ่งทั่วไป ที่เราพบเห็นอยู่ในชีวิตประจำวัน การมีขนาดเล็กลงมีผลต่อสมบัติทางกายภาพในด้านต่างๆ คือ
ก. ทำให้พื้นที่ผิวต่อปริมาตรเพิ่มขึ้น
ทำนองเดียวกับน้ำตาลทรายก้อน เมื่อบดให้ละเอียดเป็นน้ำตาลทรายผง จะมีพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น ดังปรากฏในภาพด้านล่าง คือ เมื่อซอยย่อยโครงสร้างจากเดิมให้เล็กลง ๘ เท่า ๒ ครั้ง ถึงแม้จำนวนอะตอมจะมีอยู่เท่าเดิม คือ ๔,๐๙๖ อะตอม แต่จำนวนอะตอมที่พื้นผิวกลับเพิ่มขึ้นเกือบ ๓ เท่า คือ เพิ่มจาก ๑,๓๕๒ เป็น ๓,๕๘๔ อะตอม ส่งผลให้สมบัติต่างๆ ทั้งเชิงฟิสิกส์ และเคมี ที่เกี่ยวเนื่องกับพื้นผิวของอนุภาคนาโน มีบทบาทและเป็นตัวกำหนดการเปลี่ยนแปลงต่างๆ เพิ่มมากขึ้น เช่น สมบัติเกี่ยวกับการละลาย หรือสมบัติเกี่ยวกับการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst)
ข. ทำให้ธรรมชาติของอันตรกิริยากับระบบอื่นยากที่จะเข้าใจ
เนื่องจากอนุภาคนาโนมีขนาดเล็กมาก จนไม่สามารถใช้ศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับระบบที่มีขนาดใหญ่ (bulk system) มาอธิบายได้ ในขณะเดียวกันก็ไม่ได้เล็กจนเป็นอะตอมหรือโมเลกุล ที่ไม่มีสมบัติ ของอนุภาคที่มีขนาดเหลืออยู่เลย ด้วยเหตุนี้ อันตรกิริยาระหว่างอนุภาคนาโนกับระบบที่ไม่ใช่นาโน จึงยังเป็นกรณีศึกษาที่น่าสนใจ และยังหาข้อยุติไม่ได้ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัด คือ ปรากฏการณ์เซลล์ของสิ่งมีชีวิตสัมผัสกับอนุภาคนาโน ซึ่งยังไม่สามารถอธิบายได้ เป็นผลให้เรายังขาดความรู้ความเข้าใจ เกี่ยวกับมลพิษของอนุภาคนาโน ที่มีต่อสิ่งมีชีวิต และสิ่งแวดล้อม
ค. ทำให้สมบัติเชิงแสงเปลี่ยนไป
เมื่อระบบมีขนาดนาโน เช่น อนุภาคนาโนเงินหรือทอง สารจะมีสมบัติทางแสงเปลี่ยนไป เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงขนาด ดังจะเห็นได้จากตัวอย่างของเงิน (ดังในภาพ) ที่สีของอนุภาคเปลี่ยนไป ตามขนาดของอนุภาค ซึ่งเป็นสมบัติเฉพาะอย่างหนึ่ง ของอนุภาคนาโน
แหล่งที่มา : ดัดแปลงมาจาก In Clusters and Colloids; Schmid, G., Ed,;VCH, Weinheim, 1994
๒. สมบัติการรวมกลุ่มกันเอง (Self - assembly properties) และสมบัติการสำเนาตัวเอง (Self - replication properties) ของอนุภาคนาโน
ก. สมบัติการรวมกลุ่มกันเอง
อนุภาคนาโนสามารถรวมกลุ่ม และประกอบขึ้นเป็นโครงสร้างต่างๆ ได้ด้วยตัวเอง หลักการพื้นฐาน ของกระบวนการ การรวมกลุ่มกันเอง คือ การเกาะติดที่เลือกเฉพาะ (selective stickiness) ซึ่งหมายความว่า ถ้ามีโมเลกุล ๒ โมเลกุล ที่มีรูปร่าง หรือประจุไฟฟ้า ในลักษณะเติมเต็มซึ่งกันและกัน ทำนองเดียวกับลูกกุญแจ-แม่กุญแจ (lock and key) หรือเอนไซม์-ซับสเตรต (enzyme and substrate) หรือแอนติเจน-แอนติบอดี (antigen and antibody) โมเลกุลทั้งคู่นั้นมีแนวโน้มที่จะยึดติดเข้าหากัน เช่น ด้านแหลมก็จะหันเข้าติดกับด้านเว้า ด้านประจุบวกก็จะพยายามหาด้านประจุลบเพื่อดูดติดกัน เมื่อมีคู่เติมเต็มเช่นนี้ ธรรมชาติจะช่วยมันให้ได้พบกัน โดยการขยับตัวหรือหมุน กลิ้ง เคลื่อนที่ แกว่ง ด้วยผลของความร้อน และพลังงานจลน์ เมื่อ ๒ โมเลกุลยึดติดกันจนทำให้ได้โมเลกุลใหญ่กว่าแล้ว โมเลกุลที่ใหญ่กว่านี้ ก็จะมายึดติดกันเพิ่มขึ้นอีกเรื่อยๆ จนเป็นวัสดุ หรือสิ่งของต่างๆ
การเกิดกระบวนการการรวมกลุ่มกันเอง ซึ่งเป็นวิธีการสังเคราะห์สารตามแบบที่ใช้กันในเคมีเชิงสังเคราะห์ โดยใช้ซับเสตรตกระตุ้นให้เกิดเร็วขึ้น
หากพิจารณาถึงชนิดของอันตรกิริยา หลักฐานจากการทดลองส่วนหนึ่งอาจสามารถสรุปได้ว่า แรงที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์นี้ ได้แก่ แรงวันเดอร์วาลล์ (van der vaal force) และแรงที่เกี่ยวกับขั้ว (polar force)
ข. สมบัติการสำเนาตัวเอง
เป็นสมบัติที่ช่วยให้สารหรือระบบใดๆ มีการสร้างผลผลิตให้เพียงพอต่อการอยู่รอด โดยธรรมชาติได้กำหนดการจัดเรียงตัว และการเกาะกลุ่มของอนุภาคนาโน เพื่อสร้างเป็นแม่พิมพ์ จากนั้นก็มีการสำเนาตัวเอง เพื่อให้เกิดสารหรือวัสดุเช่นเดียวกันนั้น เพิ่มจำนวนมากขึ้น ดังตัวอย่าง การเพิ่มจำนวนของเชื้อไวรัสจากกระบวนการสำเนาตัวเอง อันที่จริงปรากฏการณ์ที่ใกล้ตัวกว่านี้ ได้แก่ การเกิดผลมะม่วงที่เหมือนเดิมหลายๆ ผล ซึ่งเป็นการสำเนาตัวเองโดยผ่านกลไกธรรมชาติ ทั้งนี้ สมบัติการสำเนาตัวเองนับว่ามีความสำคัญในเชิงพาณิชย์เป็นอย่างมาก ในการผลิตสินค้าให้ได้ปริมาณมาก และทำให้ราคาไม่แพงเกินไป
การเพิ่มจำนวนของไวรัส อันเนื่องมาจากกระบวนการการสำเนาตัวเองของเชื้อไวรัส กระบวนการเริ่มจาก
๑) ไวรัสไปเกาะที่เยื่อหุ้มเซลล์ของตัวให้อาศัย (host)
๒) ไวรัสทำให้ตัวให้อาศัยติดเชื้อ โดยการผ่านดีเอ็นเอเข้าไปในเซลล์ที่มันเกาะอยู่
๓) ดีเอ็นเอจะไปควบคุมทำให้มีการสร้างไวรัสตัวอื่นๆ ซึ่งจะได้ไวรัสรุ่นใหม่จำนวนมาก
๓. เครื่องมือและอุปกรณ์ที่ใช้กับศาสตร์นาโน และนาโนเทคโนโลยี
เนื่องจากระบบนี้มีขนาดที่เล็กมาก เครื่องมือ และอุปกรณ์ที่ใช้ศึกษาวิจัย จึงต้องมีความเที่ยงตรง และแม่นยำอย่างมาก ทั้งยังได้มาตรฐานในระดับสากล เครื่องมือ และอุปกรณ์ส่วนใหญ่ จึงต้องอยู่บนพื้นฐานหลักการของศาสตร์ระดับอะตอม เครื่องมือเหล่านี้ ได้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ภายใต้การแข่งขัน ในเชิงพาณิชย์ที่สูง และยังมีราคาแพง
กล้องจุลทรรศน์ชนิดผสมของ STM และ AFM ใช้ถ่ายขยายโครโมโซม
ด้วยขีดจำกัดของกล้องจุลทรรศน์เชิงแสง (Optical Microscope, OM) ซึ่งปกติ มีกำลังขยาย (magnification) อยู่ที่ประมาณ ๑,๐๐๐ เท่า และกำลังแยก (resolution) ประมาณไม่ละเอียดกว่า ๐.๐๐๐๒ มิลลิเมตร ซึ่งเหมาะที่จะนำมาใช้ศึกษาระบบ ที่มีขนาดใกล้เคียงกับขนาดของเซลล์ หรือระดับไมโครเมตร จึงมีความจำเป็น ที่จะต้องพัฒนากล้องแบบใหม่ ที่มีศักยภาพ และประสิทธิภาพมากพอ ที่จะนำมาใช้ศึกษาระบบที่เล็กจิ๋วกว่ามากๆ โดยเฉพาะ ในระดับขนาดนาโน ดังนั้น กล้องจุลทรรศน์ที่เรียกกันว่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Electron Microscope, EM) จึงได้เริ่มพัฒนาขึ้นมาตั้งแต่ประมาณ พ.ศ. ๒๔๗๕ ที่สำคัญ ได้แก่ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (Transmission Electron Microscope, TEM) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบกราด (Scanning Electron Microscope, SEM) กล้องจุลทรรศน์ทั้ง ๒ แบบนี้ จะใช้ลำอิเล็กตรอน (Electron beam) ที่มีพลังงานสูงแทนลำแสงที่ใช้ในกล้องแบบปกติ จึงทำให้สามารถศึกษาสมบัติต่างๆ ของระบบ เช่น สมบัติเกี่ยวกับรูปร่าง ขนาด ความเรียบ รูปแบบการเรียงตัว และความแข็ง ได้เที่ยง และละเอียดมากขึ้น โดยเฉพาะกำลังขยายได้เพิ่มขึ้นประมาณแสนเท่า
กล้องจุลทรรศน์ชนิด SEM ใช้ถ่ายขยายหัวของยุง ซึ่งมีขนาดเล็กมา
นอกจากนี้ ยังมีเครื่องมือและอุปกรณ์ ที่มีประสิทธิภาพสูงที่ได้รับการพัฒนาขึ้นมาในช่วง ๒ ทศวรรษหลัง ที่สำคัญได้แก่ กล้องจุลทรรศน์แบบลอดผ่านแบบกราด (Scanning Tunneling Microscope, STM) และกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (Atomic Force Microscope หรือ AFM) ซึ่งถือว่า มีศักยภาพสูงทัดเทียมกับกล้องจุลทรรศน์ EM และที่สำคัญคือ สามารถใช้ศึกษาระบบ ที่ยังมีชีวิต หรือระบบที่มีสมบัติเป็นตัวนำ ได้อย่างมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษ
ภาพพระปรมาภิไธยที่เขียนโดยกล้องจุลทรรศน์ STM เพื่อเทิดพระเกียรติพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว ในฐานะทรงเป็น "พระบิดาแห่งเทคโนโลยีไทย" ด้วยวิธีการเคลื่อนย้ายและจัดเรียงคาร์บอนมอนอกไซต์ จำนวน ๕๐ โมเลกุล บนผิวของโลหะทองแดง โดยใช้เทคนิคทางนาโนเทคโนโลยี ซึ่งเป็นผลจากแรงอันตรกิติยาระหว่างอะตอม
แหล่งที่มา : เขียนโดย ดร. ดอน ไอเกลอร์ (Dr. Don Eigler) นักวิจัยจาก IBM Almanden Research Center และนักวิจัยจากศูนย์นาโนเทคโนยีแห่งชาติ
สำหรับอุปกรณ์และเครื่องมืออื่นๆ อีกจำนวนมาก รวมไปถึงที่รู้จักคุ้นเคยกันดีในหมู่นักวิจัย เช่น เครื่องฉายรังสีเอกซ์ (x-ray) เครื่องเอ็มอาร์ไอ (MRI) และเครื่องวัดสเปกตรัม (spectrometer) ก็ได้รับการพัฒนามาอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้สามารถใช้ได้ง่าย และมีประสิทธิภาพ สอดคล้องกับความต้องการ
หัวข้อก่อนหน้า
