หลักการพื้นฐานของนาโนเทคโนโลยี

      นาโนเทคโนโลยีเกิดขึ้นจากการผสมผสานระหว่างศาสตร์กับศิลป์หลายแขนงที่เกี่ยวข้องกับการจัดการกับอะตอมหรือโมเลกุลโดยตรง ไม่ว่าจะเป็นการเคลื่อนย้ายหรือจัดเรียงตำแหน่งของอะตอม การประกอบกันหรือการแยกออกจากกันของอะตอม การทำปฏิกิริยา (reaction) หรือการเกิดอันตรกิริยา (interaction) ระหว่างอะตอมเพื่อสร้างสิ่งต่าง ๆ ในระดับขนาดนาโนโดยกระบวนการเหล่านี้ต้องอาศัยความแม่นยำ ความเที่ยงตรง และความละเอียดสูงมากซึ่งกระบวนการดังกล่าวนี้อาจทำให้สำเร็จได้โดยการใช้ปฏิกิริยาเคมี (chemical reaction) หรือกระบวนการเชิงกล (mechanical process) หรือกระบวนการของการลอกเลียนแบบธรรมชาติ (biomimitic process) ในการสังเคราะห์สิ่งต่าง ๆ หมายถึง การนำหลักการพื้นฐานของนาโนเทคโนโลยีที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติจากสัตว์หรือสิ่งต่าง ๆ รอบ ๆ ตัวเรามาประยุกต์ใช้สร้างและสังเคราะห์สิ่งต่าง ๆ เช่น 

• ปีกผีเสื้อ นำหลักการเปลี่ยนสีปีกมาใช้ในการสร้างเสื้อผ้าป้องกันความร้อน
• เปลือกหอย นำธรรมชาติของเปลือกหอยที่มีความแข็งแรงและทนทานต่อแรงกระแทกมาใช้ผลิตนาโนเซรามิก
• ใบบัว ด้วยคุณสมบัติที่ไม่เปียกน้ำนักวิทยาศาสตร์นำหลักการของน้ำกลิ้งบนใบบัว (lotus effect) มาประยุกต์ใช้ผลิตสีทาบ้านรวมถึงเสื้อผ้ากันน้ำไร้รอยคราบสกปรก

วิธีการสร้างหรือการผลิตแบบนาโนเทคโนโลยี 

      เริ่มจากการนำหรือเหนี่ยวนำให้อะตอมมาเรียงตัวกันอย่างเหมาะสมจนเกิดเป็นวัสดุหรือสิ่งของที่ต้องการ เรียกว่า วิธีแบบล่างขึ้นบน (Bottom-up approach) ซึ่งตรงกันข้ามกับวิธีที่มักใช้ในการผลิตแบบดั้งเดิมที่ใช้กันมาแล้วตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน เรียกว่า วิธีแบบบนลงล่าง (Top-down approach) ความแตกต่างของวิธีการทั้ง ๒ แบบ อาจแสดงได้ด้วยตัวอย่าง ดังนี้
ตัวอย่างที่ ๑
      ในการผลิตไม้จิ้มฟันหากเป็นวิธีการผลิตแบบบนลงล่างเราจะนำชิ้นไม้มาเหลาให้เล็กลงจนได้ขนาดที่ต้องการแต่ถ้าเป็นวิธีการผลิตแบบล่างขึ้นบนเราจะนำอะตอมหรือโมเลกุลของไม้มาจัดเรียงรวมกลุ่มให้มีขนาดใหญ่ขึ้นจนมีรูปร่างเป็นไม้จิ้มฟัน
ตัวอย่างที่ ๒
      ในการผลิตภาชนะจานชามกระเบื้องถ้าเป็นวิธีการผลิตแบบบนลงล่างเราจะนำก้อนดินเหนียวมาปั้นขึ้นรูปด้วยมือหรือใส่ลงในแบบให้กลายเป็นภาชนะจานชามตามรูปร่างที่ต้องการแล้วนำไปเผา และเคลือบจนเป็นจานชามในขั้นตอนสุดท้าย แต่ถ้าเป็นวิธีการแบบล่างขึ้นบนเราจะนำอะตอมหรือโมเลกุลของวัตถุดิบที่ใช้มาจัดเรียงรวมกลุ่มให้กลายเป็นจานชามตามต้องการได้ในขั้นตอนเดียว

ข้อดีของการผลิตแบบล่างขึ้นบน 

      ประการแรก คือ ลดส่วนที่เหลือใช้หรือของเสียทำให้สามารถประหยัดวัตถุดิบที่นำมาจากทรัพยากรธรรมชาติได้มาก 
      ประการที่สอง คือ สามารถประหยัดพลังงานในการผลิตเนื่องจากกระบวนการผลิตเป็นไปอย่างแม่นยำและจำเพาะเจาะจง พลังงานจึงถูกนำมาใช้เพื่อสนองจุดประสงค์ที่ต้องการเท่านั้นดังนั้น ปรัชญาการผลิตแบบล่างขึ้นบนนี้จึงถือเป็นหัวใจสำคัญของกระบวนการผลิตโดยใช้นาโนเทคโนโลยี การที่จะเข้าใจเรื่องนาโนเทคโนโลยีได้ชัดเจนยิ่งขึ้นจำเป็นต้องเข้าใจเรื่องศาสตร์นาโนซึ่งถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากเป็นรากฐานหรือองค์ความรู้พื้นฐานที่จะนำไปต่อยอดเป็นเทคโนโลยีใหม่โดยเฉพาะที่เกี่ยวกับสมบัติของระบบหรืออนุภาคนาโนศาสตร์นาโนดังกล่าวประกอบด้วย

๑. ขนาดนาโน และสมบัติ (nanosize and properties)

อนุภาคนาโนมีขนาดเล็กมากประมาณ ๑ - ๑๐๐ นาโนเมตร เมื่อเปรียบเทียบกับสิ่งทั่วไปที่เราพบเห็นอยู่ในชีวิตประจำวัน การมีขนาดเล็กลงมีผลต่อสมบัติทางกายภาพในด้านต่าง  ๆ คือ
ก. ทำให้พื้นที่ผิวต่อปริมาตรเพิ่มขึ้น
      ทำนองเดียวกับน้ำตาลทรายก้อนเมื่อบดให้ละเอียดเป็นน้ำตาลทรายผงจะมีพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้นดังปรากฏในภาพด้านล่าง คือ เมื่อซอยย่อยโครงสร้างจากเดิมให้เล็กลง ๘ เท่า ๒ ครั้ง ถึงแม้จำนวนอะตอมจะมีอยู่เท่าเดิม คือ ๔,๐๙๖ อะตอม แต่จำนวนอะตอมที่พื้นผิวกลับเพิ่มขึ้นเกือบ ๓ เท่า คือเพิ่มจาก ๑,๓๕๒ เป็น ๓,๕๘๔ อะตอม ส่งผลให้สมบัติต่าง ๆ ทั้งเชิงฟิสิกส์และเคมีที่เกี่ยวเนื่องกับพื้นผิวของอนุภาคนาโนมีบทบาทและเป็นตัวกำหนดการเปลี่ยนแปลงต่าง ๆ เพิ่มมากขึ้น เช่น สมบัติเกี่ยวกับการละลายหรือสมบัติเกี่ยวกับการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst)
ข. ทำให้ธรรมชาติของอันตรกิริยากับระบบอื่นยากที่จะเข้าใจ
      เนื่องจากอนุภาคนาโนมีขนาดเล็กมากจนไม่สามารถใช้ศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับระบบที่มีขนาดใหญ่ (bulk system) มาอธิบายได้  ในขณะเดียวกันก็ไม่ได้เล็กจนเป็นอะตอมหรือโมเลกุลที่ไม่มีสมบัติ ของอนุภาคที่มีขนาดเหลืออยู่เลย ด้วยเหตุนี้อันตรกิริยาระหว่างอนุภาคนาโนกับระบบที่ไม่ใช่นาโนจึงยังเป็นกรณีศึกษาที่น่าสนใจและยังหาข้อยุติไม่ได้ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัด คือ ปรากฏการณ์เซลล์ของสิ่งมีชีวิตสัมผัสกับอนุภาคนาโนซึ่งยังไม่สามารถอธิบายได้ เป็นผลให้เรายังขาดความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับมลพิษของอนุภาคนาโนที่มีต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม
ค. ทำให้สมบัติเชิงแสงเปลี่ยนไป
      เมื่อระบบมีขนาดนาโน เช่น อนุภาคนาโนเงินหรือทองสารจะมีสมบัติทางแสงเปลี่ยนไปเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงขนาดดังจะเห็นได้จากตัวอย่างของเงิน (ดังในภาพ) ที่สีของอนุภาคเปลี่ยนไปตามขนาดของอนุภาคซึ่งเป็นสมบัติเฉพาะอย่างหนึ่งของอนุภาคนาโน 

๒. สมบัติการรวมกลุ่มกันเอง (Self - assembly properties) และสมบัติการสำเนาตัวเอง (Self - replication properties) ของอนุภาคนาโน

ก. สมบัติการรวมกลุ่มกันเอง
      อนุภาคนาโนสามารถรวมกลุ่มและประกอบขึ้นเป็นโครงสร้างต่าง ๆ ได้ด้วยตัวเอง หลักการพื้นฐานของกระบวนการการรวมกลุ่มกันเอง คือ การเกาะติดที่เลือกเฉพาะ (selective stickiness) ซึ่งหมายความว่า ถ้ามีโมเลกุล ๒ โมเลกุลที่มีรูปร่างหรือประจุไฟฟ้าในลักษณะเติมเต็มซึ่งกันและกันทำนองเดียวกับลูกกุญแจ-แม่กุญแจ (lock and key) หรือเอนไซม์-ซับสเตรต (enzyme and substrate) หรือแอนติเจน-แอนติบอดี (antigen and antibody) โมเลกุลทั้งคู่นั้นมีแนวโน้มที่จะยึดติดเข้าหากัน เช่น ด้านแหลมก็จะหันเข้าติดกับด้านเว้า ด้านประจุบวกก็จะพยายามหาด้านประจุลบเพื่อดูดติดกัน เมื่อมีคู่เติมเต็มเช่นนี้ธรรมชาติจะช่วยมันให้ได้พบกันโดยการขยับตัวหรือหมุน กลิ้ง เคลื่อนที่ แกว่ง ด้วยผลของความร้อนและพลังงานจลน์ เมื่อ ๒ โมเลกุลยึดติดกันจนทำให้ได้โมเลกุลใหญ่กว่าแล้ว โมเลกุลที่ใหญ่กว่านี้ก็จะมายึดติดกันเพิ่มขึ้นอีกเรื่อย ๆ จนเป็นวัสดุหรือสิ่งของต่าง ๆ  หากพิจารณาถึงชนิดของอันตรกิริยาหลักฐานจากการทดลองส่วนหนึ่งอาจสามารถสรุปได้ว่าแรงที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์นี้ ได้แก่ แรงวันเดอร์วาลล์ (van der vaal force) และแรงที่เกี่ยวกับขั้ว (polar force)

ข. สมบัติการสำเนาตัวเอง

      เป็นสมบัติที่ช่วยให้สารหรือระบบใด ๆ มีการสร้างผลผลิตให้เพียงพอต่อการอยู่รอดโดยธรรมชาติได้กำหนดการจัดเรียงตัวและการเกาะกลุ่มของอนุภาคนาโนเพื่อสร้างเป็นแม่พิมพ์จากนั้นก็มีการสำเนาตัวเองเพื่อให้เกิดสารหรือวัสดุเช่นเดียวกันนั้นเพิ่มจำนวนมากขึ้นดังตัวอย่างการเพิ่มจำนวนของเชื้อไวรัสจากกระบวนการสำเนาตัวเอง อันที่จริงปรากฏการณ์ที่ใกล้ตัวกว่านี้ ได้แก่ การเกิดผลมะม่วงที่เหมือนเดิมหลาย ๆ ผล ซึ่งเป็นการสำเนาตัวเองโดยผ่านกลไกธรรมชาติ ทั้งนี้สมบัติการสำเนาตัวเองนับว่ามีความสำคัญในเชิงพาณิชย์เป็นอย่างมากในการผลิตสินค้าให้ได้ปริมาณมากและทำให้ราคาไม่แพงเกินไป

๓. เครื่องมือและอุปกรณ์ที่ใช้กับศาสตร์นาโน และนาโนเทคโนโลยี

      เนื่องจากระบบนี้มีขนาดที่เล็กมากเครื่องมือและอุปกรณ์ที่ใช้ศึกษาวิจัยจึงต้องมีความเที่ยงตรงและแม่นยำอย่างมากทั้งยังได้มาตรฐานในระดับสากลเครื่องมือและอุปกรณ์ส่วนใหญ่จึงต้องอยู่บนพื้นฐานหลักการของศาสตร์ระดับอะตอม เครื่องมือเหล่านี้ได้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องภายใต้การแข่งขันในเชิงพาณิชย์ที่สูงและยังมีราคาแพงด้วยขีดจำกัดของกล้องจุลทรรศน์เชิงแสง (Optical Microscope, OM) ซึ่งปกติมีกำลังขยาย (magnification) อยู่ที่ประมาณ ๑,๐๐๐ เท่า และกำลังแยก (resolution) ประมาณไม่ละเอียดกว่า ๐.๐๐๐๒ มิลลิเมตร ซึ่งเหมาะที่จะนำมาใช้ศึกษาระบบที่มีขนาดใกล้เคียงกับขนาดของเซลล์หรือระดับไมโครเมตรจึงมีความจำเป็นที่จะต้องพัฒนากล้องแบบใหม่ที่มีศักยภาพและประสิทธิภาพมากพอที่จะนำมาใช้ศึกษาระบบที่เล็กจิ๋วกว่ามาก ๆ โดยเฉพาะในระดับขนาดนาโน ดังนั้นกล้องจุลทรรศน์ที่เรียกกันว่า 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) ที่มีพลังงานสูงแทนลำแสงที่ใช้ในกล้องแบบปกติจึงทำให้สามารถศึกษาสมบัติต่าง ๆ ของระบบ เช่น สมบัติเกี่ยวกับรูปร่าง ขนาด ความเรียบ รูปแบบการเรียงตัวและความแข็งได้เที่ยงและละเอียดมากขึ้นโดยเฉพาะกำลังขยายได้เพิ่มขึ้นประมาณแสนเท่า  

      นอกจากนี้ยังมีเครื่องมือและอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูงที่ได้รับการพัฒนาขึ้นมาในช่วง ๒ ทศวรรษหลัง ที่สำคัญได้แก่ กล้องจุลทรรศน์แบบลอดผ่านแบบกราด (Scanning Tunneling Microscope, STM) และกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (Atomic Force Microscope หรือ AFM) ซึ่งถือว่ามีศักยภาพสูงทัดเทียมกับกล้อง จุลทรรศน์ EM และที่สำคัญคือสามารถใช้ศึกษาระบบที่ยังมีชีวิตหรือระบบที่มีสมบัติเป็นตัวนำได้อย่างมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษ  สำหรับอุปกรณ์และเครื่องมืออื่น ๆ อีกจำนวนมากรวมไปถึงที่รู้จักคุ้นเคยกันดีในหมู่นักวิจัย เช่น เครื่องฉายรังสีเอกซ์ (x-ray) เครื่องเอ็มอาร์ไอ (MRI) และเครื่องวัดสเปกตรัม (spectrometer) ก็ได้รับการพัฒนามาอย่างต่อเนื่องเพื่อให้สามารถใช้ได้ง่ายและมีประสิทธิภาพ สอดคล้องกับความต้องการ