ภาพโดยรวมของวิทยาศาสตร์นาโน |
 |
โดโรที
 |
...ภาพโดยรวมของวิทยาศาสตร์นาโน คราวที่แล้วได้ให้คำจำกัดความของอนุภาคนาโนไปแล้ว ครั้งนี้เรามาดูภาพรวมของเทคโนโลยีใหม่ที่เรียกกันว่า "นาโนเทค...
ภาพโดยรวมของวิทยาศาสตร์นาโน
คราวที่แล้วได้ให้คำจำกัดความของอนุภาคนาโนไปแล้ว ครั้งนี้เรามาดูภาพรวมของเทคโนโลยีใหม่ที่เรียกกันว่า "นาโนเทคโนโลยี" ซึ่งหลายวงการให้ความสนใจกันค่ะ หลายๆคนอาจเคลือบแคลงใจว่า นาโนเทคโนโลยีหรือวิทยาศาสตร์นาโนมันยิ่งใหญ่หรือน่าสนใจตรงไหน ? มันมีความพิเศษหรืออัศจรรย์อย่างไร ?

คำว่านาโนมีรากฐานมาจากภาษากรีกว่า "dwarf" ซึ่งก็หมายถึงคนแคระนั้นเองค่ะ พูดถึงคนแคระเราก็ต้องจินตนาการไปถึงสิ่งที่มันเล็กผิดปกติ นี่คือที่มาของคำว่านาโน สำหรับความพิเศษของมันก็คือขนาดที่เล็กแสนเล็กของมันนั่นเอง ที่ทำให้ตัวมันเองมีคุณสมบัติพิเศษหลากหลายทั้งทางด้านกายภาพและทางฟิสิกส์ตามที่เคยเขียนไว้ในเรื่อง "อนุภาคนาโน"
http://www.noknoi.com/magazine/article.php?t=1475

อันที่จริงแล้วนาโนเทคโนโลยีไม่ใช่เรื่องใหม่แต่อย่างใด เราต่างก็ใช้นาโนเทคโนโลยีมาหลายสมัยแล้วแต่เราไม่รู้นั่นเองว่ามันคือนาโนเทคโนโลยี ปัจจุบันอาจกล่าวได้ว่า นักวิจัยและนักลงทุนหันมาร่วมมือกันเพื่อจะนำเอาวิทยาศาสตร์รุ่นเก่ามาตั้งชื่อใหม่ และปรับปรุงตัวผลิตภัณฑ์ใหม่ๆออกมาภายใต้เทคโนโลยีที่ถูกตั้งชื่อขึ้นใหม่ว่า "นาโนเทคโนโลยี"

นาโนเทคโนโลยีรุ่นดึกดำบรรพ์ถูกสร้างมาจากสิ่งมีชีวิตที่มีอยู่ในธรรมชาติของโลกเรานี่เอง เช่นโมเลกุลโปรตีนที่ประกอบกันเป็นไรโบโซมในร่างกาย หรือแม้แต่กระทั่งที่ฟันของเราที่เราเห็นเป็นสีขาวก็มาจากตัวเคลือบฟันซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของนาโนเทคโนโลยี ที่ธรรมชาติสร้างขึ้นมาทำให้ฟันของเรามีความแข็งแรง นอกจากนี้ถอยหลังไปประมาณร้อยปี มนุษย์เดินดินแบบพวกเรานั้นได้ค้นพบอนุภาคนาโนมาแล้ว นั่นก็คือกระจกที่คนเรามองเห็นเป็นสีแดง ม่วง หรือสีทอง ตามโบสถ์ หรือสถานที่สำคัญๆในสมัยก่อน กระจกเหล่านั้นถูกเคลือบด้วยอนุภาคของทองทำให้เรามองเห็นเป็นสีต่างๆ ขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคทองที่ใช้เคลือบกระจก , Computer chips ที่ถูกผลิตขึ้นมาเมื่อ 20 ปีที่แล้วก็เป็นผลผลิตจากนาโนเทคโนโลยี หรือแม้แต่ในวงการนักเคมีต่างช่วยกันผลิตโพลิเมอร์ที่มีขนาดเล็กระดับนาโนมานานหลายปีด้วยเช่นกัน

นาโนเทคโนโลยีรุ่นใหม่นั้นสามารถแบ่งกระบวนการผลิตได้ 2 ประเภทคือ "bottom up" และ "top down"
Bottom up หรือล่างขึ้นบนในทางนาโนเทคโนโลยีนั้นหมายถึงการผลิตโครงสร้างของสิ่งที่เราต้องการในลักษณะของการสร้างอะตอมต่ออะตอมขึ้นไปเรื่อยๆ เปรียบได้กับการสร้างโครงร่างนั่นเอง เช่นการจัดเรียงโมเลกุลของโปรตีน ซึ่งโครงสร้างของอะตอมเหล่านี้เราสามารถมองเห็นได้ด้วยอุปกรณ์บางตัวเช่น AFM (Atomic Force Microscope) ส่วน
Top down หรือบนลงล่างนั้น ในที่นี้หมายถึงการทำให้วัสดุต่างๆที่เรานำมาใช้ในการผลิตอะไรก็ตาม มีขนาดเล็กลงในระดับนาโน เพื่อที่จะนำไปเป็นส่วนผสมของผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ เช่น การผลิต chip , การผลิตอนุภาคนาโนของทองเพื่อนำไปประยุกต์ใช้ในงานต่างๆ

อ่านมาเรื่อยๆ ก็อาจจะเกิดคำถามว่า แล้วนาโนเทคโนโลยีมีบทบาทสำคัญในชีวิตเราอย่างไร ? มันทำอะไรให้เราบ้าง? ก่อนอื่นขอแนะนำให้รู้จักตัวเอกของนาโนที่เป็นรากฐานในการนำไปประยุกต์ใช้ในงานด้านต่างๆก่อนค่ะ
ตัวแรกก็คือ.......
1.C60/fullerenes ในปี 1996 ท่านเซอร์ Harry Kroto, Rick Smalley (แม้แต่นามสกุลยังมีความหมายว่าเล็กๆเลย) และ Robert Curl สามท่านนี้ได้รับรางวัลโนเบล (Nobel) จากการสังเคราะห์คาร์บอนที่มีโครงสร้างแบบใหม่ C60 โดยเจ้า C60 นี้มีชื่อเท่ห์ๆว่า buckminsterfullerene เพื่อให้เป็นเกีรยติ์แก่ Buckminster Fuller นักสถาปัตย์ผู้เป็นคนสร้างหอรูปครึ่งทรงกลมที่เรียกกันว่า geodesic dome ซึ่งในวงการสถาปัตย์ต่างเป็นที่ขึ้นชื่อและยอมรับกันอย่างแพร่หลายว่า geodesic dome นี้มีความแข็งแกร่งทั้งๆที่เทียบในแง่น้ำหนักของโครงร้างที่ประกอบนั้นมันเบามาก (คงจะเข้าทำนองเล็กพริกขี้หนูตามสุภาษิตไทยเราหรือเปล่า ?) ทั้งสามท่านที่กล่าวมาข้างต้นจึงเอารูปแบบของสถาปัตย์กรรมอันนี้มาสร้างคาร์บอนรูปแบบใหม่โดยสามารถเรียกชื่อให้สั้นลงเรียกว่า buckyball และที่สำคัญ Buckminsterfullerene หรือ buckyball ถูกนำไปใช้ประโยชน์ได้มากมายในหลายๆวงการ
2.มาดูตัวที่สองกันตัวนี้มีชื่อว่า carbon nanotubes ซึ่งถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1991 ซึ่งเป็นช่วงของการเปิดเข้าสู่ยุคใหม่ของวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ (Material Science) สิ่งมหัศจรรย์ของ carbon nanotubes คือเจ้าโมเลกุลนี้มีคุณสมบัติทางด้านไฟฟ้า แม่เหล็ก และกลศาสตร์ที่น่าลุ่มหลง โมเลกุลตัวนี้มีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กถึง 100 เท่าทั้งๆที่มีน้ำหนักเพียงหนึ่งในหกของเหล็กเท่านั้น ซึ่งคุณสมบัติตรงนี้ carbon nanotubes ก็เป็นตัวเลือกหนึ่งที่ใครๆก็อยากนำไปใช้เพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการสร้างผลิตภัณฑ์ต่างๆ นอกจากนี้แล้ว carbon ตัวนี้ยังเป็นตัวนำความร้อนและเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีกว่าทองแดง(copper: Cu) หลายเท่า
3.ตัวที่สามคือ nanoparticles ซึ่งการผลิตมีความหลากหลายไม่ว่าใช้กระบวนการเคมีหรือฟิสิกส์ผสมผสานกันในการสร้าง nanoparticles ซึ่งอนุภาคนาโนที่ว่านี้ตัวมันเองสามารถเป็นได้ทั้ง โลหะ แร่ธาตุ โพลิเมอร์ หรือการผสมผสานกันของวัสดุต่างๆ แล้วถูกทำให้มีขนาดเล็กระดับนาโน ต่างก็ถูกเรียกว่าเป็นอนุภาคนาโนหรือ nanoparticles ทั้งสิ้น ซึ่ง nanoparticles นี้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้หลายอย่างเช่นกันไม่ว่าจะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) , การนำส่งหรือนำพายาเข้าสู่ร่างกายเรา (drug deliver), สี (dyes), ตัวกรอง (filter) และอื่นๆอีกมากมาย
4.ตัวต่อมาคือ Nanowires ขนาดของ nanowires แคบเรียวซึ่งมีความกว้างน้อยกว่า 50 nmและมีศักยภาพสูงที่จะนำไปใช้อุปกรณ์ด้านงานไฟฟ้า และนำไปผนวกกับงานทางด้านชีววิทยาเป็น Biosensors ที่ใช้ในการตรวจจับเชื้อโรคเป็นต้น
5.คราวนี้มาถึงตัวสุดท้ายคือ self-assembled nanostructures เป็นเรื่องน่ายินดีที่ self assembly หรือการสร้างหรือประกอบโมเลกุลได้ด้วยตนเองนั้นสิ่งที่สามารถเกิดขึ้นเองได้ตามธรรมชาติ เช่น การเกิดการรวมตัวกันของเม็ดเลือด (blood clotting) การประกอบตัวกันเองของโปรตีน เมื่อมองย้อนกลับมาดูก็พบว่ามีหนทางมากมายที่จะนำเอาประโยชน์จาก self assembly มาประยุกต์ใช้ในเรื่องต่างๆ ได้เช่นกัน

ทั้งหมดห้าตัวหลักที่กล่าวมาเพื่อแสดงให้เห็นถึงตัวรากฐานหลักของนาโนในรูปแบบที่แตกต่างกันซึ่งไม่ได้ลงรายละเอียดลึกมากนัก เพราะจุดประสงค์เพียงเพื่อนำเสนอให้เห็นภาพคร่าวๆของนาโนเทคโนโลยีนั่นเอง ต่อไปเรามาดูตัวอย่างการนำไปประยุกต์ใช้กันค่ะ
1.การประยุกต์ใช้ทางการแพทย์ (Medical applications) การนำนาโนเทคโนโลยีไปใช้ในวงการแพทย์เป็นไปอย่างแพร่หลาย เช่น การนำอนุภาคของธาตุเงิน (nanocrystalline silver) มาผลิตผ้าพันแผล นอกจากนี้แล้วยังมีพวกโลหะอื่นๆอีกมากมายที่เราสามารถนำมาทำให้มีขนาดเล็กลงระดับนาโนสเกลและนำมาประยุกต์ใช้ในวงการแพทย์ เช่น การส่งผ่านสารพันธุกรรม(gene) หรือการส่งผ่านยาที่เรียกกันว่า drug delivery
2.การนำมาใช้ทางด้านสิ่งแวดล้อม (Environment application) บทบาทสำคัญที่นาโนเทคโนโลยีเกี่ยวข้องกับสิ่งแวดล้อมคือนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ในการรักษาสิ่งแวดล้อม เช่นนำมาใช้ในระบบบำบัดน้ำเสีย โดยอาจจะนำอนุภาคนาโนมาทำหน้าที่เป็นตัวจับโมเลกุลของสิ่งสกปรกทั้งหลายซึ่งส่งผลทำให้ระบบการบำบัดน้ำเสียมีประสิทธิภาพที่ดียิ่งขึ้น
3.การประยุกต์ใช้ในกองทัพ (Military application) ขณะนี้กำลังพัฒนานาโนโพลิเมอร์ (nanopolymers) เพื่อที่จะสร้างชุดไร้ตะเข็บให้กับทหาร นอกจากนี้มีการฝังเอนไซม์ (enzyme) ลงไปในเส้นใยผ้าเพื่อใช้ในการตรวจสอบและทำลายโมเลกุลของสารเคมีหรืออาวุธชีวภาพที่อาจถูกนำมาใช้ในการทำสงคราม ปัจจุบันเริ่มมีการนำไบโอเซนเซอร์ (biosensor) เข้ามาใช้ในการตรวจเช็คสุขภาพของทหาร
4.การนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องสำอางค์ (Cosmetic application) nanotitanium dioxide และ zinc oxide สามารถดูดซึมและสะท้อนต่อแสง UV (Ultraviolet) ด้วยเช่นกัน สารที่ว่านี้จึงถูกนำมาใช้เป็นส่วนผสมของครีมกันแดดซึ่งมีประสิทธิภาพในการกันแดดสูงกว่าครีมกันแดดทั่วๆไป ยิ่งไปกว่านั้นยังมีครีมบำรุงต่างๆที่อนุภาคของสารที่นำมาผลิตนั้นเล็กมากๆทำให้สามารถซึมผ่านสู่ผิวหนังได้อย่างล้ำลึก

ขอยกตัวอย่างเกี่ยวกับอนุภาคนาโนของไขมัน lipid nanoparticles ที่นำมาประยุกต์ใช้ในอุตสาหรรมเครื่องบำรุงผิวค่ะ

Lipid nanoparticles มีลักษณะโครงสร้างแบบเดียวกันกับ nanoemulsions ขนาดของอนุภาคนั้นเริ่มต้นที่ 50 นาโนเมตร ขนาดที่แตกต่างกันของอนุภาคไขมันขึ้นอยู่กับส่วนแกนกลางของไขมันในส่วนที่เป็นของแข็ง (solid state) การที่จะทำให้อนุภาคของไขมันมีความคงตัวและไม่ตกตะกอนนั้นจะต้องเติมสารลดแรงตึงผิว (surfactant) หรือ polymer บางตัวลงไป lipid nanoparticles เตรียมได้โดยใช้กระบวนการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันภายใต้ความดันสูง (high-pressure homogenization) ซึงจากกระบวนการเหล่านี้ทำให้ได้อนุภาคนาโนของไขมันมีประโยชน์ดังนี้
1.นำมาใช้ในการปรับปรุงความคงตัวของสารเคมีที่เป็นส่วนประกอบในเครื่องสำอางค์
2.ช่วยควบคุมการปล่อยหรือการทำงานของสารออกฤทธิ์ (active ingredient) ซึ่งเป็นสารที่มีประสิทธิภาพที่ถูกผสมไปในเครื่องสำองค์ เช่น vitamin E ในครีมให้ความชุ่มชื้นแก่ผิว เป็นต้น
3.ช่วยควบคุมเกี่ยวกับสี
4. ปรับปรุงความชุ่มชื้นและนุ่มนวลของผิว

ทั้งหมดก็เป็นภาพโดยรวมคร่าวๆของนาโนเทคโนโลยี หวังว่าผู้อ่านคงได้เห็นภาพคร่าวๆว่าเทคโนโลยีนี้มีส่วนเข้ามาเกี่ยวข้องกับชีวิตเราอย่างไรบ้างค่ะ..........................
**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

เมื่อวันที่ : 12 มิ.ย. 2549, 09.45 น.
ผู้อ่านที่รัก,
นิตยสารรายสะดวก และผู้เขียนยินดีรับฟังความคิดเห็นต่อข้อเขียนชิ้นนี้
เชิญคลิกแสดงความเห็นได้โดยอิสระ ขอขอบคุณและรู้สึกเป็นเกียรติอย่างยิ่ง ในการมีส่วนร่วมของท่านในครั้งนี้...