วัสดุขั้นสูงและนาโนเทคโนโลยี ประวัตินาโนเทคโนโลยี งานวิจัยด้านนาโนเทคโนโลยี นวตกรรมนาโนเทคโนโลยี หมายถึง
นาโนเทคโนโลยี ... คืออะไรกันแน่?
ปัจจุบันมีกระแสความสนใจในเรื่อง นาโนศาสตร์ (Nanoscience) และนาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology) เป็นอย่างมาก หลายประเทศทั่วโลกโดยเฉพาะสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นได้เริ่มทุ่มเงินงบประมาณอย่างสูงเพื่อการวิจัยด้านนี้ ประเทศไทยก็เช่นกัน เริ่มมีการสนับสนุนจากทางรัฐบาลในเรื่องนี้เป็นอย่างมาก
แต่ส่วนใหญ่แล้วจะมีการเข้าใจไปต่าง ๆ กันว่านาโนเทคโนโลยีคืออะไร เช่น การย่อของให้มีขนาดเล็กลง หรือ หุ่นขนาดจิ๋วที่จะไปทำงานในระดับอะตอม ซึ่งไม่ใช่ว่าจะผิด แต่มันไม่ใช่ความหมายที่แท้จริงของนาโนเทคโนโลยี มันแค่เป็นการมองในมุมด้านตัวผลิตภัณฑ์หรือวัตถุที่คนส่วนใหญ่จะนึกภาพออกได้
นอกจากนี้การใช้นาโนเทคโนโลยีในปัจจุบันเป็นเพียงแค่จุดเริ่มต้นเท่านั้น ได้เริ่มมีผลิตภัณฑ์ทางนาโนเทคโนโลยีออกมา ซึ่งส่วนใหญ่ก็จะเป็นพวกฟิล์มชนิดบางของสารต่างๆที่มีความหนาในขนาดนาโนเมตร เช่น OLED (Organic Light Emitting Device) ซึ่งเป็นจอแสดงผลที่ทำจากสารอินทรีย์ และพวกสารเคลือบผิวต่างๆ ตัวอย่างเช่นในผ้าที่เปื้อนยากที่สามารถกันหยดน้ำหรือของเหลวไม่ให้ซึมเข้าใยผ้าได้ โดยอาศัยความไม่ชอบน้ำ (Hydrophobicity) ของสารที่เคลือบใยผ้ามาและรวมกับความตึงผิวของหยดน้ำหรือของเหลวเองมาเป็นแรงผลักตัวหยดน้ำไม่ให้ซึมผ่านชั้นเคลือบไปได้ เป็นต้น
อย่างไรก็ตามผลิตภัณฑ์ที่เริ่มออกมาเหล่านี้ไม่ใช่ภาพลักษณ์โดยรวมของนาโนเทคโนโลยีและไม่ได้บ่งชี้ถึงศักยภาพที่แท้จริงของมัน อีกทั้งยังมีผลิตภัณฑ์หลายอย่างที่อ้างใช้คำว่า นาโน มาเป็นจุดโฆษณาขาย ซึ่งเราควรต้องระมัดระวังไว้ จึงเป็นเรื่องที่จำเป็นอย่างยิ่งที่เราควรจะมาศึกษาให้รู้ถึงเบื้องหน้าและเบื้องหลังของนาโนศาสตร์และนาโนเทคโนโลยีอย่างจริงจัง
คำว่า นาโน (Nano) แปลว่าคนแคระในภาษากรีก แต่โดยมากจะเป็นคำที่เรียกกันติดปากและย่อมาจากคำว่า นาโนเมตร (Nanometre) ซึ่งหมายถึง สิบกำลังลบเก้าเมตร หรือ 1 ส่วนพันล้านของ 1 เมตร
คำนิยามอย่างคร่าว ๆ ของ นาโนศาสตร์ (Nanoscience) ก็คือการศึกษาปรากฏการณ์ทางธรรมชาติของวัตถุที่มีขนาดในช่วงนาโนเมตร (ประมาณ 1-100 นาโนเมตร) ส่วนนาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology) ก็จะหมายถึงการสร้างและประยุกต์วัตถุนาโนนี้มาใช้ให้เป็นประโยชน์
จุดมุ่งหมายสูงสุดของนาโนเทคโนโลยีก็คือความสามารถที่จะสร้างและจัดเรียงอนุภาคต่างๆได้ตามความต้องการ เพื่อสร้างสสารหรือโครงสร้างของสารในแบบใหม่ๆที่ให้คุณสมบัติพิเศษที่อาจจะไม่เคยมีก่อน
ภาพของเส้นผมมนุษย์จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (Souce:https://www.nnf.cornell.edu/nnun)
ในเชิงเปรียบเทียบ ขนาด 1 นาโนเมตรนี้จะใหญ่กว่าขนาดของอะตอมประมาณสิบเท่าขึ้นไป แต่เล็กกว่าขนาดของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในตัวไมโครชิพวงจร (IC microchip)ในปัจจุบันประมาณร้อยเท่า ถ้าจะอ้างถึงของใกล้ตัว เช่น เส้นผมของคนเราซึ่งขนาดประมาณ 0.1 มิลลิเมตร ขนาด 1 นาโนเมตรก็จะเล็กกว่าเส้นผมประมาณหนึ่งแสนเท่า
ที่กล่าวมานี้บางทีก็ยังนึกภาพไม่ออกว่านาโนเมตรมันเล็กแค่ไหน โลกของเราที่มีขนาดประมาณ 10,000 กิโลเมตร หรือ 10,000,000 เมตร มีขนาดใหญ่เป็นประมาณหนึ่งแสนเท่าของสนามฟุตบอล (100 เมตร) ถ้าสมมุติว่าเราย่อส่วนโลกใบใหญ่ที่เราอยู่กันนี่ให้มีขนาดเท่าเส้นผม ตัวสนามฟุตบอลก็จะย่อส่วนลงไปในช่วงของ 1 นาโนเมตร ซึ่งน่าจะพอเห็นได้ว่าการไปสร้างวัตถุนาโนในโลกใบจิ๋วขนาดเท่าเส้นผม ไม่ใช่เป็นเรื่องง่าย
ภาพของพื้นผิวของกราไฟต์ขนาด 8x8 ตร.นาโนเมตรจากเครื่อง STM ที่ให้ความละเอียดในระดับอะตอม
แต่แล้วทำไมขนาดของนาโนเมตรจึงมีความสำคัญขึ้นมาทันทีทันใด ทั้งที่ขนาดนาโนเมตรไม่ได้เป็นขนาดของวัตถุที่เล็กที่สุดในธรรมชาติ เรารู้กันว่าสสารประกอบด้วยอนุภาคอะตอมต่างๆ เช่น อะตอมของไฮโดรเจน ที่มีขนาดประมาณ 0.1 นาโนเมตร ศูนย์กลางของอะตอมคือนิวเคลียสจะยิ่งเล็กไปกว่าอะตอมอีกหนึ่งแสนเท่า
สาเหตุสำคัญอย่างแรกที่ทำให้นาโนศาสตร์และนาโนเทคโนโลยีเกิดขึ้นมาได้ เป็นเพราะมีแรงหนุนมาทางด้านเทคโนโลยี ในช่วงประมาณ 40-50 ปีที่ผ่านมาจะเห็นได้ว่าวงจรไฟฟ้าอิเล็กทรอนิคส์ได้ลดขนาดลงมาก ผลกระทบที่เห็นได้ชัดในขนาดนี้เช่น เครื่องคอมพิวเตอร์ที่เล็กลงและเร็วขึ้นกว่าสมัยก่อนมาก พัฒนากันจนซื้อเครื่องรุนใหม่มาไม่ถึงปีก็จะตกรุ่นแล้ว ในปัจจุบันชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในตัววงจรในไมโครชิพได้เล็กลงมาเรื่อยๆ เริ่มมาจนมุมกันในช่วงนาโนเมตรนี้แล้ว เพราะขาดเครื่องมือที่จะสามารถศึกษาหรือสร้างวัตถุขนาดเล็กไปถึงในช่วงนาโนเมตรนี้ได้อย่างแม่นยำ
แต่ก็มีปัจจัยหนุนทางเทคโนโลยีอีกอย่างหนึ่งที่มาช่วยหาคำตอบในเรื่องนี้ คือการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์แบบต่าง ๆ เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ที่สามารถให้ภาพของวัตถุที่มีความละเอียดในระดับอะตอม และเครื่องมือชิ้นเอกที่นับได้ว่าเป็นรากฐานแรกเริ่มของการวิจัยทางนาโนศาสตร์ก็คือกล้องจุลทรรศน์แบบ Scanning Tunnelling Microscope (STM) ที่นอกจากจะสามารถสแกนภาพให้ความละเอียดในระดับอะตอมแล้ว ยังจะสามารถจัดเรียงอะตอมให้เป็นรูปร่างที่ต้องการ (ส่วนหลักการทำงานของเครื่อง STM จะมานำเสนอในโอกาสต่อไป - ซึ่งติดตามได้จาก Section Technology ที่ วิชาการ.คอม)
พวกเครื่องมือที่มาสนับสนุนการศึกษานาโนศาสตร์เหล่านี้เองเป็นจุดเริ่มต้นให้มีการศึกษาโครงสร้างนาโนของวัสดุต่างๆ รวมทั้งมีการคิดค้นวิธีการอื่นๆเพื่อสังเคราะห์วัสดุนาโน เช่น โดยกระบวนการทางเคมี ซึ่งง่ายกว่าและประยุกต์ในเชิงอุตสาหกรรมได้ดีกว่าการใช้เครื่อง STM มาสังเคราะห์สาร
แรงผลักดันทางเทคโนโลยีไม่ใช่เป็นสาเหตุเดียวของการเกิดนาโนศาสตร์และนาโนเทคโนโลยี ทีนี้ถ้าจะเข้าใจความสำคัญของนาโนเทคโนโลยีจริงๆ ก็ควรจะมารู้ถึงความสำคัญของ Scale หรือขนาดของวัตถุ กับคุณสมบัติทางวิทยาศาสตร์ ทางวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะสาขาฟิสิกส์ ทฤษฏีหรือกฎต่าง ๆ จะกำหนดความสัมพันธ์ว่าคุณสมบัติตัวหนึ่งจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติตัวอื่นๆ อย่างไร คุณสมบัติต่างๆส่วนใหญ่จะแปรผันกับขนาดของวัตถุไม่เหมือนกัน ตัวอย่างเช่น
จากคุณสมบัตินี้ เราจะเห็นได้ว่าถ้าขนาดของวัตถุเปลี่ยนไป อัตราส่วนระหว่างพื้นที่ผิวต่อปริมาตรจะเปลี่ยนไปด้วยโดยเชิงตรงกันข้าม วัตถุยิ่งเล็กลง อัตราส่วนนี้จะยิ่งเพิ่มมากขึ้น
ถ้าดูเผินๆ อาจจะไม่รู้ว่าอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรนี้เป็นเรื่องสำคัญมากในทางปฏิกิริยาเคมี รวมถึงตัวเร่งปฏิกิริยา เพราะกระบวนการทางเคมีส่วนมากจะเกิดที่ผิวก่อน ถ้าพื้นผิวยิ่งมากอย่างอนุภาควัสดุนาโน การเกิดปฏิกิริยาจะยิ่งเร็วมากขึ้นกว่าสารอย่างเดียวกันที่เป็นวัตถุขนาดใหญ่ เหมือนกับน้ำตาลทรายที่ละลายน้ำง่ายกว่าน้ำตาลกรวด ซึ่งเรื่องนี้เป็นเพียงตัวอย่างแบบง่ายๆเท่านั้น ความสำคัญของนาโนเทคโนโลยียังมีลึกซึ้งอีกมาก
ได้กล่าวไปแล้วว่าช่วงขนาดนาโนเมตรนี้มีขนาดใหญ่กว่าอะตอมประมาณสิบเท่า จึงเรียกได้ว่านาโนเมตรเป็นช่วงขนาดของกลุ่มอะตอม หลายสิบหลายร้อยอะตอม นาโนศาสตร์ถือเป็นช่วงรอยต่อที่สำคัญของการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ในโลกของอะตอม (Atomic world) กับโลกในชีวิตประจำวัน (เรียกกันว่า Macroscopic world)
ตัวอย่างความแตกต่างง่ายๆก็เช่นการมาตัดแบ่งสสารอย่างก้อนทองคำ เป็นสองส่วน แล้วจากนั้นก็ตัดแบ่งครึ่งแต่ละส่วนไปอีกเรื่อยๆ เราจะตัดแบ่งไปได้อย่างต่อเนื่อง ก็ยังได้เป็นทองคำเหมือนกัน แต่ในโลกของอะตอมถ้าเราจะมาตัดแบ่งสารเคมีกันเราจะได้สารที่ต่างไปจากสารตั้งต้น นี่เป็นคุณสมบัติหลักในโลกควอนตัม (Quantum world) ซึ่งความหมายง่ายของ Quantum ก็คือจำนวนที่นับได้นั่นเอง เพราะสารในโลกอะตอมเราจะนับเป็นจำนวนอะตอมๆไปจะเป็นไปไม่ได้ว่าจะมาขอทองกันครึ่งอะตอม
ความที่วัตถุนาโนอยู่ในช่วงรอยต่อระหว่างโลกทั้งสองนี้ จึงมีความแปลกใหม่ที่น่าสนใจอยู่มาก มายกตัวอย่างเรื่องทองอีก วัตถุนาโนของทองคำจะมีคุณสมบัติก้ำกึ่งระหว่างทองคำที่จะเป็นโลหะเฉื่อยที่ทำปฏิกิริยากับสารอื่นได้ยาก กับคุณสมบัติของอะตอมของทองที่เหมือนกับสารเคมีที่เป็นตัวทำปฏิกิริยาหรือตัวเร่งปฏิกิริยา ขนาดของอนุภาคนาโนที่ต่างกันจะมีคุณสมบัติต่างกันไป ในอนาคตถ้าเราสามารถเลือกขนาดของอนุภาคนาโนของทองคำได้ เราก็อาจจะเลือกได้ว่าจะให้ทำปฏิกิริยากับสารเคมีแบบใด
คุณสมบัติประเภทนี้เป็นเรื่องที่จะศึกษากันมากในทางนาโนศาสตร์ในช่วงแรกๆ เพราะเราอาจจะใช้สสารเพียงชนิดเดียวมาทดแทนคุณสมบัติของสสารอื่นๆได้มากมาย ยิ่งไปกว่านั้นความเป็นตัวสื่อระหว่างโลกอะตอมและโลกควอนตัมนี้ทำให้มีการคาดคะเนกันว่านาโนเทคโนโลยีอาจจะเป็นตัวนำไปสู่การปฏิวัติทางเทคโนโลยีครั้งใหม่ของโลกที่จะนำปรากฏการณ์พิศวงต่างๆของโลกควอนตัมมาสู่ชีวิตประจำวันได้
นอกจากนั้นขนาดในช่วงนาโนเมตรนี้รวมไปถึงสสารหลายๆอย่างและในศาสตร์ความรู้ที่หลากหลาย ตั้งแต่พวกอนุภาคโลหะขนาดนาโนเมตร พวกสารเคมีที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ โปรตีน DNA และสารทางชีวภาพอีกมากมาย
จึงทำให้นาโนศาสตร์เป็นวิชาที่กว้างครอบคลุมไปถึงวิทยาศาสตร์ทุกแขนง ที่เรียกกันว่า Multi-disciplinary science การรวมกันของความรู้นี้นับว่าเป็นเรื่องที่ใหม่ เมื่อก่อนยากที่จะเห็นนักฟิสิกส์มาจับเข่าคุยกับเรื่องงานวิจัยกับนักชีววิทยา
ดูไปแล้วนาโนศาสตร์จะไปคล้ายกับช่วงแรกของวิทยาศาสตร์ เช่น พวกนักปรัชญาในสมัยกรีกมาถกเถียงกันในเรื่องปรากฏการณ์ทางธรรมชาติต่างๆ
แต่ที่จริงแล้วนาโนศาสตร์และนาโนเทคโนโลยีไม่ใช่ของใหม่โดยทีเดียว ก็เป็นเรื่องแปลกที่ว่าทางโลกตะวันตกได้รู้จักการใช้ประโยชน์ของอนุภาคนาโน (Nanoparticles) หลายร้อยปีแล้ว อย่างไม่รู้ตัว ช่างทำกระจกสีเพื่อใช้ประดับในโบสถ์ ใช้โลหะ เช่น ทองแดง ทองคำ หลอมผสมกับแก้วเป็นสีต่าง ๆ ซึ่งก็ได้มีการคาดคะเนทางทฤษฎีมาเมื่อประมาณร้อยปีก่อนนี้แล้วว่า สีเหล่านี้เกิดขึ้นจากอนุภาคนาโนของโลหะที่อยู่ในกระจก และปัจจุบันนาโนศาสตร์ก็ได้มาช่วยยืนยันสมมุติฐานดังกล่าวว่าเป็นเพราะคุณสมบัติดูดซับแสงของอนุภาคโลหะขนาดช่วงนาโนเมตรที่จะดูดซับแสงสีต่างๆในสัดส่วนที่ไม่เท่ากัน จึงทำให้แสงที่ทะลุผ่านกระจกได้ไม่เหมือนกันและเห็นเป็นสีของกระจกต่างกันไป
กระจกสีใน Cathedral เมือง Strasbourg ประเทศฝรั่งเศส
ความจริงแล้วไม่ต้องไปไกลถึงเมืองนอกเพื่อสัมผัสนาโนเทคโนโลยี อย่างที่กล่าวไปแล้วว่าสารชีวภาพพวกโปรตีน DNA ต่างก็เป็นสารนาโนทางธรรมชาติทั้งนั้น นาโนศาสตร์และนาโนเทคโนโลยีจึงเป็นสิ่งที่นับได้ว่าอยู่กับเรามาตลอด ร่างกายมนุษย์เราถือว่าเป็นเครื่องจักรนาโนทางธรรมชาติแบบครบวงจร ที่ไม่อาจทราบได้ว่าอีกกี่ปีเทคโนโลยีจะตามทันได้
แหล่งที่มา : vcharkarn.com