21,638 Views
Favorite
วัสดุนาโนหรืออนุภาคนาโนเป็นอนุภาคที่มีขนาดในระดับ ๑ - ๑๐๐ นาโนเมตร ซึ่งโดยประมาณเทียบได้กับขนาดเฉลี่ยของไวรัสหรือมีขนาดเล็กกว่าเส้นผมของคนประมาณ ๑,๐๐๐ ถึง ๑๐๐,๐๐๐ เท่าซึ่งสามารถตรวจพบหรือสัมผัสรับเข้าไปโดยไม่รู้ตัว วัสดุนาโนสามารถเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและเกิดจากการกระทำของมนุษย์ชนิดที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติอาจพบได้หลังเกิดไฟป่าหรือภูเขาไฟระเบิด บางชนิดอาจอยู่ในรูปของอนุภาคไวรัสที่ปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อม ส่วนอนุภาคนาโนที่เกิดจากการกระทำของมนุษย์ได้จากการสังเคราะห์โดยตรงและเป็นสารปนเปื้อนออกมา เช่น จากการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ เครื่องจักร หรือยานพาหนะ หรือจากกระบวนการผลิต ทั้งทางเคมีและชีวภาพ
ช่วงก่อนศตวรรษที่ ๒๑ ตามปกติ เมื่อกล่าวถึงวัสดุในทางวัสดุศาสตร์เรามักจะนึกถึงโลหะ อโลหะ เซรามิก และพอลิเมอร์ แต่เมื่อมาถึงยุคนาโนเทคโนโลยีเราต้องปฏิวัติแนวคิดและค่านิยมให้สอด คล้องกับความเปลี่ยนแปลง กล่าวคือ วัสดุในยุคปัจจุบันจะขยายรวมถึงวัสดุในความหมายเดิมและวัสดุที่มีขนาดนาโนที่ในปัจจุบันมักมีการนำมาใช้ในกระบวนการผลิต เช่น อนุภาคนาโน วัสดุดีเอ็นเอด้วยวิวัฒนาการนี้เองเป็นผลให้องค์ความรู้เดิมด้านวิทยาศาสตร์พื้นฐานที่ใช้อธิบายวัสดุจะต้องมีการพัฒนาขึ้นเพื่อให้สอดคล้องและสมจริง สิ่งที่เคยอธิบายได้ด้วยหลักการเดิมกลับมีความซับซ้อน และมีความเป็นไปที่แปลกไปจากเดิมมาก ดังนั้นหลักการหรือคำอธิบายที่เกี่ยวกับระบบนาโนจะต้องได้รับการบูรณาการขึ้นใหม่เพื่อให้สามารถเข้าใจปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เกี่ยวกับระบบนาโนอย่างแท้จริง
วัสดุนาโนมีอยู่ด้วยกันหลายชนิด ที่สำคัญ ได้แก่
คาร์บอนเป็นธาตุที่รู้จักกันแพร่หลายและเป็นองค์ประกอบหลักของสิ่งมีชีวิต ส่วนมากแล้วอะตอมของคาร์บอนจะยึดกันเองหรือยึดกับอะตอมของธาตุอื่นด้วยพันธะโคเวเลนซ์ (covalent bond) ซึ่งเป็นการเกาะยึดที่แข็งแรง การยึดกันเองของอะตอมคาร์บอนทำให้เกิดเป็นโมเลกุลหรือโครงสร้างใหญ่ขึ้นมาได้หลากหลาย เช่น โครงสร้างของเพชรและแกรไฟต์ซึ่งมีสมบัติทางกายภาพ อาทิ ความแข็ง การหักเหแสงที่แตกต่างกันมากซึ่งเป็นผลจากรูปแบบการจัดเรียงอะตอมที่ต่างกัน นอกจากนี้เมื่ออะตอมของคาร์บอนไปยึดกับอะตอมของธาตุอื่น ๆ และมีการเรียงตัวในแบบต่าง ๆ ก็จะทำให้เกิดเป็นสารมากมายหลายอย่างที่แตกต่างกัน เช่น เกิดเป็นข้าว เผือก ไม้ ทั้งนี้แล้วแต่ระบบจัดการของธรรมชาติโดยธรรมชาติมีวิธีควบคุม ดูแล หรือจัดการให้มีการจัดเรียงอะตอมทำให้เกิดเป็นโครงสร้างแบบต่าง ๆ อย่างหลากหลายและเป็นระบบทั้งรูปแบบที่เป็นผลึก (crystal) และอสัณฐาน (amorphous) ปัจจุบันเราค้นพบรูปแบบใหม่ของคาร์บอนที่กำลังเป็นที่สนใจและมีการวิจัยกันอย่างกว้างขวาง
ก. ฟูลเลอร์รีนคาร์บอน ๖๐ (Fullerenes C60 )
ซึ่งมีชื่อเล่นว่า บักกีบอล (buckeyballs) เป็นกลุ่มของอะตอมคาร์บอนที่เกาะกันเป็นรูปวงแหวนห้าเหลี่ยมผสมกับหกเหลี่ยมซึ่งวงแหวนเหล่านี้จะมาเกาะสลับกันเป็นโครงสร้างสามมิติมีรูปทรงคล้ายลูกฟุตบอล โดยได้ค้นพบตั้งแต่ พ.ศ. ๒๕๒๘ นอกจาก C60 แล้วยังมี C70 ซึ่งมีลักษณะคล้ายลูกรักบี้และอื่น ๆ จนถึงประมาณ C120 โดยความต่างกันของโมเลกุลเหล่านี้จะขึ้นอยู่กับสัดส่วนของจำนวนวงแหวนแต่ละชนิดและรูปแบบการจัดเรียงเป็นสำคัญ โมเลกุลเหล่านี้ถือว่ามีความสำคัญต่อการพัฒนานาโนเทคโนโลยีอย่างมาก เช่น จากผลการวิจัยพบว่าเมื่อนำอะตอมของโลหะเข้าไปวางในลูกบักกีบอลได้จะทำให้สมบัติการนำไฟฟ้าดีขึ้นซึ่งเหมาะกับการที่จะนำไปใช้เป็นส่วนประกอบของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กและยังลดปัญหาการถูกทำลายหรือการเสื่อมสภาพและไม่เสถียร เมื่อเทียบกับการใช้อะตอมของโลหะตามลำพังดังในปัจจุบัน
ข. ท่อนาโนคาร์บอน (carbon nano-tubes)
มีลักษณะเป็นท่อเปิดรูปทรงกระบอกเหมือนการม้วนพับของแผ่นแกรไฟต์ โดยมีความกว้างหรือเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อซึ่งเล็กมากที่พบมากประมาณ ๔ นาโนเมตร (เล็กกว่าเส้นผมประมาณ ๕๐,๐๐๐ เท่า) โดยอัตราส่วนของความยาวต่อความกว้างของท่อประมาณ ๑๐,๐๐๐ เท่า สมบัติทางกายภาพที่สำคัญของท่อนาโนคาร์บอน คือ ความแข็ง โดยความแข็งของวัสดุนาโนชนิดนี้เท่ากับความแข็งของเพชรซึ่งแข็งมากกว่าเหล็กกล้าประมาณ ๑๐๐ เท่า ในขณะที่มีน้ำหนักเพียง ๑ ใน ๖ เมื่อคิดจากปริมาตรที่เท่ากัน ท่อนาโนคาร์บอนนำความร้อนและนำกระแสไฟฟ้าได้ดีมากเมื่ออยู่ในสภาวะที่เหมาะสม อย่างไรก็ตามสมบัติการนำไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงในช่วงค่อนข้างกว้างมาก คือ สามารถมีสมบัติของตัวนำตั้งแต่โลหะ สารกึ่งโลหะ ไปจนถึงฉนวนซึ่งขึ้นอยู่กับโครงสร้างของโมเลกุลคาดกันว่าสมบัติเหล่านี้จะมีการเปลี่ยนแปลงอีกในอนาคตขึ้นอยู่กับเทคนิคการสังเคราะห์
เนื่องจากสมบัติที่แข็งและเบาจึงได้มีการพิจารณาในเชิงวัสดุศาสตร์เกี่ยวกับการนำท่อนาโนคาร์บอนไปใช้ในการสร้างอากาศยาน ปัจจุบันลำตัวของเครื่องบินทำจากวัสดุที่มีอะลูมิเนียมเป็นส่วนประกอบถึงแม้อะลูมิเนียมแข็งน้อยกว่าเพชรมากแต่เบาสามารถทำให้เป็นรูปต่าง ๆ ได้ดีโดยไม่เปราะหรือแตกง่ายและราคาไม่แพง แต่หากใช้ท่อนาโนคาร์บอนเครื่องบินจะมีน้ำหนักลดลงได้ถึง ๕๐ เท่าโดยมีความแข็งแรงเท่ากันหรือมากกว่าและคาดว่าต้นทุนจะต่ำกว่าเดิม นอกจากเครื่องบินแล้วยังอาจนำไปใช้กับยานอวกาศด้วยการพัฒนาด้านวัตถุดิบโดยใช้นาโนเทคโนโลยีจะทำให้ประสิทธิภาพเชิงพาณิชย์ของธุรกิจการบินสามารถปรับตัวดีขึ้นอีกมาก ปัจจุบันได้มีการนำท่อนาโนคาร์บอนมาใช้เป็นส่วนประกอบของอุปกรณ์ที่ใช้สมบัติในระดับจุลภาคของสาร เช่น กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมแบบกราด รวมทั้งการใช้เป็นส่วนผสมกับวัสดุอื่น เช่น พอลิเมอร์เพื่อทำให้โครงสร้างของผลิตภัณฑ์มีความแข็งแรงยิ่งขึ้น นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาไปสู่สิ่งที่เรียกว่า สายนาโน (nanowire) ซึ่งจะสามารถใช้เป็นชิ้นส่วนทรานซิสเตอร์หรือประตูสัญญาณตรรกะ (logic gates) อันจะทำให้เกิดการปฏิวัติกระบวนการผลิตในระบบอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์
เนื่องจากอนุภาคนาโนมีขนาดเล็กจิ๋วและมีพื้นที่ผิวต่อปริมาตรมากจึงได้รับความสนใจเป็นพิเศษในอุตสาหกรรมสารเร่งปฏิกิริยา (catalyst) ซึ่งเกี่ยวข้องกับพื้นที่ผิวโดยตรงและยังนำไปใช้เป็นตัวตามรอยโดยเฉพาะในโครงสร้างที่เล็กมากและยากต่อการติดตามหากนำอนุภาคนาโนไปติดตั้งหรือวางตามตำแหน่งที่เหมาะสม เช่น ผนังเซลล์ เยื่อหุ้มเซลล์หรือโครโมโซมจะทำให้เราสามารถติดตามการทำงานของระบบเหล่านั้นได้ดีที่สำคัญได้แก่
ก. ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2)
หรือไทเทเนียเป็นทั้งสารกึ่งตัวนำและเซรามิก สารชนิดนี้ได้ถูกนำมาใช้เป็นเวลานานกว่า ๑๐๐ ปี แต่ใช้เป็นอนุภาคระดับไมโครหรือ ๑๐-๖ เช่น เป็นส่วนผสมของสีทาบ้านและเครื่องสำอางเพื่อทำ ให้บริเวณที่ใช้มีความสว่างขึ้นและอยู่ทน เนื่องจากสารนี้มีลักษณะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง (photocatalyst) จึงได้ถูกนำมาใช้ฆ่าเชื้อโรคและทำความสะอาดสิ่งแวดล้อม เช่น น้ำหรือตัวฟอกอากาศ แต่เมื่ออนุภาคไทเทเนียมีขนาดเล็กลงจนถึงระดับนาโนทำให้สัดส่วนของพื้นที่ผิวต่อปริมาตรเพิ่มขึ้นมากและสมบัติสำคัญบางอย่าง เช่น การหักเหแสงนั้นจะเปลี่ยนไปทำให้เพิ่มประสิทธิภาพการเกิดปฏิกิริยาและประโยชน์ต่อการใช้งานมากขึ้น การสังเคราะห์อนุภาคนาโนไทเทเนียด้วยเทคนิคต่าง ๆ เช่น เชิงเคมี เชิงกล หรือแบบใช้ความร้อนสูงจะทำให้ได้อนุภาคนาโนที่มีสมบัติโดยเฉพาะด้านกายภาพและเสถียรภาพต่างกันตามจุดประสงค์การใช้งาน อย่างไรก็ตามการสังเคราะห์อนุภาคนาโนเพื่อให้ได้ผลผลิตมากพอคุ้มทุน อนุภาคมีเสถียรภาพสูงพอและอยู่ในสภาพที่พร้อมใช้งานในรูปแบบต่าง ๆ ยังต้องมีการศึกษาวิจัยกันต่อไป
ข. ซิงก์ซัลไฟด์ (ZnS)
เป็นสารกึ่งตัวนำที่เรืองแสงที่ใช้ในการทำจอภาพเครื่องรับรู้อุปกรณ์เกี่ยวกับเลเซอร์ เป็นต้น สำหรับอนุภาคระดับนาโนนั้นได้มีการใช้ประโยชน์จากสมบัติที่เกี่ยวกับการเรืองแสง เช่น การทำให้เกิดภาพของระบบขนาดเล็กและใช้ติดตามการทำงานของกลไกต่าง ๆ โดยเฉพาะในระดับเล็กลงไปจากเซลล์ซึ่งจะมีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนาด้านชีวภาพและการแพทย์
ค. เงิน (Ag)
เป็นที่รู้จักกันอย่างดีมานานกว่า ๑๐๐ ปีพอ ๆ กับทองและทองแดง สมบัติของเงินที่สำคัญ คือ ที่เกี่ยวกับการนำความร้อนและนำไฟฟ้าในด้านสมบัติที่เกี่ยวกับการใช้เป็นตัวทำลายหรือยับยั้งการเจริญของเชื้อโรคนั้นก็มีหลักฐานมายาวนานเช่นกันสำหรับอนุภาคนาโนของเงิน พบว่าจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของการใช้งานซึ่งเป็นผลมาจากการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ผิวต่อปริมาตร ปัจจุบันได้มีความพยายามที่จะนำอนุภาคนาโนเงินมาใช้ในอุตสาหกรรมสิ่งทอและเครื่องหนังเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ซึ่งมีสมบัติในการต่อต้านเชื้อโรคที่มีความปลอดภัยและมีประสิทธิภาพสูง ดังจะเห็นได้จากเสื้อนาโนที่มีจำหน่ายกันในปัจจุบัน
ดีเอ็นเอเป็นสารที่เกี่ยวข้องกับรหัสหรือการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากพ่อแม่ไปสู่ลูก เช่น ลักษณะดวงตา สีผม รวมไปถึงโรคทางพันธุกรรมบางโรค ดีเอ็นเอมีองค์ประกอบหลักคือ เบส น้ำตาลและฟอสเฟต มีลักษณะเป็นสายเกลียวคู่ขนาดเล็กและยาวมากประกอบด้วยน้ำตาล ปกติสายดีเอ็นเอมีความกว้างประมาณ ๒ นาโนเมตรและมีเบสรวมประมาณ ๓ พันล้านเบสหรือประมาณ ๑๐ คู่ ต่อความยาว ๓.๔ - ๓.๖ นาโนเมตร ดังนั้นโครงสร้างที่ทำจากดีเอ็นเอจะมีระดับขนาดเป็นนาโนเมตร นับตั้งแต่ได้มีการค้นพบโครงสร้างของดีเอ็นเอเมื่อพ.ศ. ๒๔๙๗ ดีเอ็นเอได้มีบทบาทสำคัญ เกี่ยวข้องกับชีวิตของเราอย่างมากทั้งทางด้านพันธุศาสตร์ ด้านนิติเวชศาสตร์ ด้านยีนบำบัด (gene therapy) อย่างไรก็ตามเมื่อเข้าสู่ยุคนาโนเทคโนโลยีแล้วก็ควรพิจารณาว่าทำอย่างไรจึงจะนำดีเอ็นเอมาใช้เป็นวัตถุดิบในการสร้างสิ่งที่เล็กจิ๋วในระดับนาโนได้ เนื่องจากดีเอ็นเอได้รับการพิจารณาว่าเป็นสารที่สามารถใช้เป็นสื่อในการส่งข้อมูลหรือสัญญาณในระบบสิ่งมีชีวิตอันเนื่องมาจากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีได้มีความสามารถในการ "เรียนรู้" และมีความสามารถในการปรับสภาพให้เหมาะกับสภาวการณ์และเงื่อนไขภายใต้ความจำเพาะที่เป็นประโยชน์ ดังนั้นดีเอ็นเอจึงเป็นวัสดุนาโนที่มีความสำคัญทางด้านนาโนเทคโนโลยีในอนาคต
