ภาพ​โดยรวมของวิทยาศาสตร์นาโน

คราว​ที่แล้ว​​ได้ให้คำจำกัด​ความของอนุภาคนาโน​ไปแล้ว​ ครั้งนี้เรามาดูภาพรวมของเทคโนโลยีใหม่​ที่เรียกกันว่า "นาโนเทคโนโลยี" ​ซึ่งหลายวงการให้​ความสนใจกันค่ะ​ หลายๆ​คนอาจเคลือบแคลงใจว่า นาโนเทคโนโลยีหรือวิทยาศาสตร์นาโนมันยิ่งใหญ่หรือน่าสนใจตรงไหน ? มันมี​ความพิเศษหรืออัศจรรย์อย่างไร ? คำว่านาโนมีรากฐานมาจากภาษากรีกว่า "dwarf" ​ซึ่งก็หมายถึงคนแคระนั้น​เองค่ะ​ พูดถึงคนแคระเราก็​ต้องจินตนาการ​ไปถึงสิ่ง​ที่มันเล็กผิดปกติ นี่​คือ​ที่มาของคำว่านาโน สำหรับ​ความพิเศษของมันก็​คือขนาด​ที่เล็กแสนเล็กของมันนั่นเอง ​ที่ทำให้ตัวมันเองมีคุณสมบัติพิเศษหลากหลาย​ทั้งทางด้านกายภาพ​และทางฟิสิกส์ตาม​ที่เคยเขียนไว้ในเรื่อง​ "อนุภาคนาโน"
http://www.noknoi.com/magazine/article.php?t=1475

อัน​ที่จริงแล้ว​นาโนเทคโนโลยีไม่ใช่เรื่อง​ใหม่​แต่อย่างใด เราต่างก็​ใช้นาโนเทคโนโลยีมาหลายสมัยแล้ว​​แต่เราไม่รู้นั่นเองว่ามัน​คือนาโนเทคโนโลยี ปัจจุบันอาจกล่าว​ได้ว่า นักวิจัย​และนักลงทุนหันมาร่วมมือกัน​เพื่อ​จะนำ​เอาวิทยาศาสตร์รุ่นเก่ามาตั้งชื่อใหม่ ​และปรับปรุงตัวผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ​ออกมาภายใต้เทคโนโลยี​ที่ถูกตั้งชื่อขึ้น​ใหม่ว่า "นาโนเทคโนโลยี"

นาโนเทคโนโลยีรุ่นดึกดำบรรพ์ถูกสร้างมาจากสิ่งมีชีวิต​ที่มีอยู่​ในธรรมชาติของโลกเรานี่เอง เช่นโมเลกุลโปรตีน​ที่ประกอบกัน​เป็นไรโบโซมในร่างกาย หรือ​แม้​แต่กระทั่ง​ที่ฟันของเรา​ที่เราเห็น​เป็นสีขาวก็มาจากตัวเคลือบฟัน​ซึ่ง​เป็น​ส่วนหนึ่ง​ของนาโนเทคโนโลยี ​ที่ธรรมชาติสร้างขึ้น​มาทำให้ฟันของเรามี​ความแข็งแรง นอกจากนี้ถอยหลัง​ไปประมาณร้อยปี มนุษย์เดินดินแบบพวกเรานั้น​​ได้ค้นพบอนุภาคนาโนมาแล้ว​ นั่นก็​คือกระจก​ที่คนเรามองเห็น​เป็นสีแดง ม่วง หรือสีทอง ตามโบสถ์ หรือสถาน​ที่สำคัญๆ​ในสมัยก่อน กระจกเหล่านั้น​ถูกเคลือบด้วยอนุภาคของทองทำให้เรามองเห็น​เป็นสีต่างๆ​ ขึ้น​อยู่​​กับขนาดของอนุภาคทอง​ที่​ใช้เคลือบกระจก , Computer chips ​ที่ถูกผลิตขึ้น​มา​เมื่อ 20 ปี​ที่แล้ว​ก็​เป็นผลผลิตจากนาโนเทคโนโลยี หรือ​แม้​แต่ในวงการนักเคมีต่างช่วยกันผลิตโพลิเมอร์​ที่มีขนาดเล็กระดับนาโนมานานหลายปีด้วยเช่นกัน

นาโนเทคโนโลยีรุ่นใหม่นั้น​​สามารถแบ่งกระบวนการผลิต​ได้ 2 ประเภท​คือ "bottom up" ​และ "top down"

Bottom up หรือล่างขึ้น​บนในทางนาโนเทคโนโลยีนั้น​หมายถึงการผลิตโครงสร้างของสิ่ง​ที่เรา​ต้องการในลักษณะของการสร้างอะตอมต่ออะตอมขึ้น​​ไปเรื่อยๆ​ เปรียบ​ได้​กับการสร้างโครงร่างนั่นเอง เช่นการจัดเรียงโมเลกุลของโปรตีน ​ซึ่งโครงสร้างของอะตอมเหล่านี้เรา​สามารถมองเห็น​ได้ด้วยอุปกรณ์บางตัวเช่น AFM (Atomic Force Microscope) ​ส่วน Top down หรือบนลงล่างนั้น​ ใน​ที่นี้หมายถึงการทำให้วัสดุต่างๆ​​ที่เรานำมา​ใช้ในการผลิตอะไร​ก็ตาม มีขนาดเล็กลงในระดับนาโน ​เพื่อ​ที่​จะนำ​ไป​เป็น​ส่วนผสมของผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ​ เช่น การผลิต chip , การผลิตอนุภาคนาโนของทอง​เพื่อนำ​ไปประยุกต์​ใช้ในงานต่างๆ​

อ่านมาเรื่อยๆ​ ก็อาจ​จะเกิดคำถามว่า แล้ว​นาโนเทคโนโลยีมีบทบาท​สำคัญในชีวิตเราอย่างไร ? มันทำอะไร​ให้เราบ้าง? ก่อนอื่นขอแนะนำให้รู้จักตัวเอกของนาโน​ที่​เป็นรากฐานในการนำ​ไปประยุกต์​ใช้ในงานด้านต่างๆ​ก่อนค่ะ​
ตัวแรกก็​คือ...​...​.

1.C60/fullerenes ในปี 1996 ท่านเซอร์ Harry Kroto, Rick Smalley (​แม้​แต่นามสกุลยังมี​ความหมายว่าเล็กๆ​เลย​) ​และ Robert Curl สามท่านนี้​ได้รับรางวัลโนเบล (Nobel) จากการสังเคราะห์คาร์บอน​ที่มีโครงสร้างแบบใหม่ C60 ​โดยเจ้า C60 นี้มีชื่อเท่ห์ๆ​ว่า buckminsterfullerene ​เพื่อให้​เป็นเกีรยติ์แก่ Buckminster Fuller นักสถาปัตย์ผู้​เป็นคนสร้างหอรูปครึ่งทรงกลม​ที่เรียกกันว่า geodesic dome ​ซึ่งในวงการสถาปัตย์ต่าง​เป็น​ที่ขึ้น​ชื่อ​และยอมรับกันอย่างแพร่หลายว่า geodesic dome นี้มี​ความแข็งแกร่ง​ทั้งๆ​​ที่เทียบในแง่น้ำหนักของโครงร้าง​ที่ประกอบนั้น​มันเบามาก (คง​จะเข้าทำนองเล็กพริกขี้หนูตามสุภาษิตไทยเราหรือเปล่า ?) ​ทั้งสามท่าน​ที่กล่าวมาข้างต้นจึง​เอารูปแบบของสถาปัตย์กรรมอันนี้มาสร้างคาร์บอนรูปแบบใหม่​โดย​สามารถเรียกชื่อให้สั้นลงเรียกว่า buckyball ​และ​ที่สำคัญ Buckminsterfullerene หรือ buckyball ถูกนำ​ไป​ใช้ประโยชน์​ได้มากมาย​ในหลายๆ​วงการ


2.มาดูตัว​ที่สองกันตัวนี้มีชื่อว่า carbon nanotubes ​ซึ่งถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1991 ​ซึ่ง​เป็นช่วงของการเปิดเข้าสู่ยุคใหม่ของวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ (Material Science) สิ่งมหัศจรรย์ของ carbon nanotubes ​คือเจ้าโมเลกุลนี้มีคุณสมบัติทางด้านไฟฟ้า แม่เหล็ก ​และกลศาสตร์​ที่น่าลุ่มหลง โมเลกุลตัวนี้มี​ความแข็งแรงมากกว่าเหล็กถึง 100 เท่า​ทั้งๆ​​ที่มีน้ำหนักเพียงหนึ่ง​ในหกของเหล็กเท่านั้น​ ​ซึ่งคุณสมบัติตรงนี้ carbon nanotubes ก็​เป็นตัวเลือกหนึ่ง​​ที่​ใครๆ​ก็อยากนำ​ไป​ใช้​เพื่อเพิ่ม​ความแข็งแรงในการสร้างผลิตภัณฑ์ต่างๆ​ นอกจากนี้แล้ว​ carbon ตัวนี้ยัง​เป็นตัวนำ​ความร้อน​และ​เป็นตัวนำไฟฟ้า​ที่ดีกว่าทองแดง​(copper: Cu) หลายเท่า


3.ตัว​ที่สาม​คือ nanoparticles ​ซึ่งการผลิตมี​ความหลากหลายไม่ว่า​ใช้กระบวนการเคมีหรือฟิสิกส์ผสมผสานกันในการสร้าง nanoparticles ​ซึ่งอนุภาคนาโน​ที่ว่านี้ตัวมันเอง​สามารถ​เป็น​ได้​ทั้ง โลหะ แร่ธาตุ โพลิเมอร์ หรือการผสมผสานกันของวัสดุต่างๆ​ แล้ว​ถูกทำให้มีขนาดเล็กระดับนาโน ต่างก็ถูกเรียกว่า​เป็นอนุภาคนาโนหรือ nanoparticles ​ทั้งสิ้น ​ซึ่ง nanoparticles นี้​สามารถนำ​ไป​ใช้ประโยชน์​ได้หลายอย่างเช่นกันไม่ว่า​จะ​เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) , การนำส่งหรือนำพายาเข้าสู่ร่างกายเรา (drug deliver), สี (dyes), ตัวกรอง (filter) ​และอื่นๆ​อีกมากมาย​


4.ตัว​ต่อมา​คือ Nanowires ขนาดของ nanowires แคบเรียว​ซึ่งมี​ความกว้างน้อยกว่า 50 nm​และมีศักยภาพสูง​ที่​จะนำ​ไป​ใช้อุปกรณ์ด้านงานไฟฟ้า ​และนำ​ไปผนวก​กับงานทางด้านชีววิทยา​เป็น Biosensors ​ที่​ใช้ในการตรวจจับเชื้อโรค​เป็นต้น

5.คราวนี้มาถึงตัวสุดท้าย​คือ self-assembled nanostructures ​เป็นเรื่อง​น่ายินดี​ที่ self assembly หรือการสร้างหรือประกอบโมเลกุล​ได้ด้วยตนเองนั้น​สิ่ง​ที่​สามารถเกิดขึ้น​เอง​ได้ตามธรรมชาติ เช่น การเกิดการรวมตัวกันของเม็ดเลือด (blood clotting) การประกอบตัวกันเองของโปรตีน ​เมื่อมองย้อนกลับมาดูก็พบว่ามีหนทางมากมาย​​ที่​จะนำ​เอาประโยชน์จาก self assembly มาประยุกต์​ใช้ในเรื่อง​ต่างๆ​ ​ได้เช่นกัน

​ทั้งหมดห้าตัวหลัก​ที่กล่าวมา​เพื่อแสดงให้เห็นถึงตัวรากฐานหลักของนาโนในรูปแบบ​ที่แตกต่างกัน​ซึ่งไม่​ได้ลงรายละเอียดลึกมากนัก ​เพราะจุดประสงค์เพียง​เพื่อนำเสนอ​ให้เห็นภาพคร่าวๆ​ของนาโนเทคโนโลยีนั่นเอง ต่อ​ไปเรามาดูตัวอย่างการนำ​ไปประยุกต์​ใช้กันค่ะ​

1.การประยุกต์​ใช้ทางการแพทย์ (Medical applications) การนำนาโนเทคโนโลยี​ไป​ใช้ในวงการแพทย์​เป็น​ไปอย่างแพร่หลาย เช่น การนำอนุภาคของธาตุเงิน (nanocrystalline silver) มาผลิตผ้าพันแผล นอกจากนี้แล้ว​ยังมีพวกโลหะอื่นๆ​อีกมากมาย​​ที่เรา​สามารถนำมาทำให้มีขนาดเล็กลงระดับนาโนสเกล​และนำมาประยุกต์​ใช้ในวงการแพทย์ เช่น การส่งผ่านสารพันธุกรรม(gene) หรือการส่งผ่านยา​ที่เรียกกันว่า drug delivery

2.การนำมา​ใช้ทางด้านสิ่งแวดล้อม (Environment application) บทบาท​สำคัญ​ที่นาโนเทคโนโลยีเกี่ยวข้อง​กับสิ่งแวดล้อม​คือนำเทคโนโลยีนี้มา​ใช้ในการรักษาสิ่งแวดล้อม เช่นนำมา​ใช้ในระบบบำบัดน้ำเสีย ​โดยอาจ​จะนำอนุภาคนาโนมาทำหน้า​ที่​เป็นตัวจับโมเลกุลของสิ่งสกปรก​ทั้งหลาย​ซึ่งส่งผลทำให้ระบบการบำบัดน้ำเสียมีประสิทธิภาพ​ที่ดียิ่งขึ้น​

3.การประยุกต์​ใช้ในกองทัพ (Military application) ขณะนี้​กำลังพัฒนานาโนโพลิเมอร์ (nanopolymers) ​เพื่อ​ที่​จะสร้างชุดไร้ตะเข็บให้​กับทหาร นอกจากนี้มีการฝังเอนไซม์ (enzyme) ลง​ไปในเส้นใยผ้า​เพื่อ​ใช้ในการตรวจสอบ​และทำลายโมเลกุลของสารเคมีหรืออาวุธชีวภาพ​ที่อาจถูกนำมา​ใช้ในการทำสงคราม ปัจจุบันเริ่มมีการนำไบโอเซนเซอร์ (biosensor) เข้ามา​ใช้ในการตรวจเช็คสุขภาพของทหาร

4.การนำมา​ใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องสำอางค์ (Cosmetic application) nanotitanium dioxide ​และ zinc oxide ​สามารถดูดซึม​และสะท้อนต่อแสง UV (Ultraviolet) ด้วยเช่นกัน สาร​ที่ว่านี้จึงถูกนำมา​ใช้​เป็น​ส่วนผสมของครีมกันแดด​ซึ่งมีประสิทธิภาพในการกันแดดสูงกว่าครีมกันแดดทั่วๆ​​ไป ยิ่ง​ไปกว่านั้น​ยังมีครีมบำรุงต่างๆ​​ที่อนุภาคของสาร​ที่นำมาผลิตนั้น​เล็กมากๆ​ทำให้​สามารถซึมผ่านสู่ผิวหนัง​ได้อย่างล้ำลึก


ขอยกตัวอย่างเกี่ยว​กับอนุภาคนาโนของไขมัน lipid nanoparticles ​ที่นำมาประยุกต์​ใช้ในอุตสาหรรมเครื่องบำรุงผิวค่ะ​

Lipid nanoparticles มีลักษณะโครงสร้างแบบเดียวกัน​กับ nanoemulsions ขนาดของอนุภาคนั้น​เริ่มต้น​ที่ 50 นาโนเมตร ขนาด​ที่แตกต่างกันของอนุภาคไขมันขึ้น​อยู่​​กับ​ส่วนแกนกลางของไขมันใน​ส่วน​ที่​เป็นของแข็ง (solid state) การ​ที่​จะทำให้อนุภาคของไขมันมี​ความคงตัว​และไม่ตกตะกอนนั้น​​จะ​ต้องเติมสารลดแรงตึงผิว (surfactant) หรือ polymer บางตัวลง​ไป lipid nanoparticles เตรียม​ได้​โดย​ใช้กระบวนการทำให้​เป็นเนื้อเดียวกันภายใต้​ความดันสูง (high-pressure homogenization) ซึงจากกระบวนการเหล่านี้ทำให้​ได้อนุภาคนาโนของไขมันมีประโยชน์ดังนี้

1.นำมา​ใช้ในการปรับปรุง​ความคงตัวของสารเคมี​ที่​เป็น​ส่วนประกอบในเครื่องสำอางค์
2.ช่วยควบคุมการปล่อยหรือการทำงานของสารออกฤทธิ์ (active ingredient) ​ซึ่ง​เป็นสาร​ที่มีประสิทธิภาพ​ที่ถูกผสม​ไปในเครื่องสำองค์ เช่น vitamin E ในครีมให้​ความชุ่มชื้นแก่ผิว ​เป็นต้น
3.ช่วยควบคุมเกี่ยว​กับสี
4. ปรับปรุง​ความชุ่มชื้น​และนุ่มนวลของผิว

​ทั้งหมดก็​เป็นภาพ​โดยรวมคร่าวๆ​ของนาโนเทคโนโลยี หวังว่าผู้อ่านคง​ได้เห็นภาพคร่าวๆ​ว่าเทคโนโลยีนี้มี​ส่วนเข้ามาเกี่ยวข้อง​กับชีวิตเราอย่างไรบ้าง​ค่ะ​...​...​...​...​...​...​...​...​..
**แปลเรียบเรียงดัดแปลงเพิ่มเติมจาก
http://www.wellcome.ac.uk/assets/wtd015798.pdf

http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=1245

รูปภาพมาจาก
www.scifun.ed.ac.uk
www.sciencemuseum.org
www.nano.fraunhofer.de/de/institute/izm/si_dioxid_nanoparticle.jpg
www.tcd.ie/Chemistry/People/Boland/img/nanowires_clip_image002.jpg
www.nanotech-now.com/images/ASU-Yan1-sm.jpg
www.japaninc.net/images/articles/i960
ตามลำดับ