www.engineerthailand.com เวบไซต์สำหรับวิศวกรไทย และนักศึกษาวิศวกรรม รวบรวมความรู้ พัฒนาวิศวกรไทยสู่ความเป็นเลิศ                                                                                                                                                                                                                                          
 
 สถิติวันนี้ 706 คน
 สถิติเมื่อวาน 1189 คน
 สถิติเดือนนี้
สถิติปีนี้
สถิติทั้งหมด
11378 คน
194156 คน
1370470 คน
เริ่มเมื่อ 2012-11-03

นาโนเทคโนโลยี

ความหมายของนาโนเทคโนโลยี

"นาโนเทคโนโลยี" หมายถึง เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการ สร้าง การสังเคราะห์วัสดุ อุปกรณ์ เครื่องจักรหรือผลิตภัณฑ์ซึ่งมีขนาดเล็กมากในระดับนาโนเมตร เทียบเท่ากับระดับอนุภาคของโมเลกุลหรืออะตอม รวมถึงการออกแบบหรือการใช้เครื่องมือสร้างวัสดุที่อยู่ในระดับที่เล็กมาก หรือการเรียงอะตอมและโมเลกุลในตำแหน่งที่ต้องการ ได้อย่างแม่นยำ และถูกต้อง ทำให้โครงสร้างของวัสดุหรือสสารมีคุณสมบัติพิเศษ ไม่ว่าทางด้านฟิสิกส์ เคมี หรือชีวภาพ ส่งให้มีผลประโยชน์ต่อผู้ใช้สอย

กว่าจะเป็นนาโนเทคโนโลยีวันนี้

ริชาร์ด ฟายน์แมน นักฟิสิกส์รางวัลโนเบล ได้กล่าวไว้ในปี ค.ศ.1960 ว่า "เมื่อผมพูดถึงเทคโนโลยีจิ๋ว ก็มีบางคนพูดถึงความก้าวหน้าทางด้านเทคโนโลยีย่อส่วนขึ้นทันที พวกเขาพูดถึงมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีขนาดเท่ากับปลายเล็บนิ้วก้อย และก็เริ่มมีสินค้าออกสู่ท้องตลาดกันบ้างแล้ว นอกจากนั้นยังมีคนพูดถึงว่า เดี๋ยวนี้เราสามารถเขียนคำสวดคัมภีร์ไบเบิ้ลลงบนหัวเข็มหมุดได้ แต่ทว่าเรื่องที่ผมจะพูดถึงนั้นยังห่างไกลมากและเป็นเพียงจุดเริ่มต้นของเทคโนโลยีที่ผมจะกล่าวถึง ซึ่งเป็นโลกขนาดเล็กที่ซับซ้อนและอยู่ลึกลงไป เมื่อถึงปี ค.ศ.2000 คนในยุคนั้นเมื่อลองย้อนกลับมาดู ก็คงจะนึกสงสัยว่าทำไมเทคโนโลยีที่ทุกคนให้ความสำคัญอย่างจริงจังและมุ่งสู่ทิศทางนี้จึงไม่เริ่มมาก่อนหน้าปี ค.ศ.1960" ในปัจจุบันคำปาฐกถาของ ดร.ฟายน์แมนได้ถูกสลักลงเป็นตัวหนังสือที่มีขนาดราว 400 นาโนเมตร

คำกล่าวของดร.ฟายน์แมน เมื่อ 44 ปีที่แล้วถือเป็นการจุดประกายความสนใจ และปลูกฝังแนวคิดทางด้านนาโนเทคโนโลยีขึ้นเป็นครั้งแรกในตอนนั้น แม้จะมีหลายฝ่ายออกมาวิจารณ์ว่าเป็น "ความฝัน" ที่ไกลเกินไป แต่ทว่าทุกคนก็เริ่มให้ความสำคัญกับเทคโนโลยีการลดขนาดลง โดยจะเห็นได้จากเครื่องจักรกลต่างๆ คอมพิวเตอร์ โทรศัพท์ที่มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ แต่กลับมีประสิทธิภาพสูงขึ้นและปัจจุบันก็ได้พิสูจน์แล้วว่าการคาดการณ์ของดร.ฟายน์แมนนั้นถูกต้องแม่นยำอย่างน่าอัศจรรย์ เครื่องมือ อุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ได้เริ่มมุ่งสู่ทิศทางในระดับนาโนขนานใหญ่ อันที่จริงกระบวนการผลิตในระดับนาโนไม่ใช่ของใหม่ หากแต่เป็นกระบวนการที่มีอยู่ในธรรมชาติ ไม่ว่าจะเป็นการสร้างดีเอ็นเอ การแลกเปลี่ยนแร่ธาตุระหว่างเซลล์ การหมุนของซีวมอเตอร์ที่หางของตัวอสุจิ หรือแบคทีเรีย การส่งสัญญาณในเซลล์ประสาท การซ่อมแซมตัวเองของอวัยวะเมื่อเกิดบาดแผล หัวเป็นโครงสร้างที่มีความสลับซับซ้อนในพืชและในสัตว์ เป็นต้น องค์ประกอบของสิ่งเหล่านี้ล้วนมีขนาดในระดับนาโนทั้งสิ้น ส่วนมนุษย์เองก็ได้รู้จักการนำวัตถุมาทำให้มีขนาดเล็กลงตั้งแต่สมัยโบราณนับพันปี โดยเฉพาะอย่างยิ่งการผลิตสีต่างๆ จากอนุภาพขนาดนาโนของโลหะต่างๆ เช่น สีฟ้าที่ชาวอียิปต์โบราณใช้ในการตกแต่งหีบศพฟาโรห์ หรือแผ่นกระจกสีโมเสคที่ใช้ทำหน้าต่างของโบสถ์ศาสนาคริสต์ในยุคกลางและยุควิคตอเรีย รวมถึงภาชนะเครื่องแก้วในสมัยกรีก-โรมันที่สามารถเปลี่ยนสีได้ โดยใช้หลักการดูดซับและการกระเจิงแสง เพื่อสะท้อนกับอนุภาคที่มีขนาดเล็ก (ในระดับนาโนเมตร) เช่นอนุภาคนาโนของทองสามารถให้ สีส้ม ม่วง แดง หรือเขียวได้ขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคนาโนที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ดี คนในสมัคยโบราณก็ยังไม่สามารถอธิบายในปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นได้ จึงไม่สามารถนำเทคนิคดังกล่าวไปประยุกต์ได้อย่างกว้างขวาง

ศาสตร์ทางด้านนาโนจึงเป็นการผสมผสานของสหวิทยาการ ดังเช่น การอธิบาย และการศึกษาปรากฏการณ์การเปล่งสีของอนุภาคทองนาโนที่ค้นพบตั้งแต่สมัยโบราณ ต้องอาศัยนักเคมีที่เข้าใจในปฏิกิริยาในระดับโมเลกุลที่สัมพันธ์กับขนาด รวมถึงนักฟิสิกส์ที่ศึกษาคุณสมบัติของแสงและสสารที่เปลี่ยนแปลงตามเงื่อนไข ซึ่งถ้าจะนำไปประยุกต์ใช้ ก็จำเป็นต้องอาศัยวิศวกรและนักวัสดุศาสตร์ที่เชี่ยวชาญในการศึกษาดครงสร้างโมเลกุล จนสามารถดัดแปลงโครงสร้างโมเลกุลให้มีคุณสมบัติตามต้องการ รวมทั้งมีเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสูงในการนำไปประยุกต์ใช้ด้วย

ดังนั้นความก้าวหน้าทางด้านเทคโนโลยีต่างๆ ในปัจจุบันจึงทำให้นาโนเทคโนโลยีเกิดการพัมนาได้อย่างรวดเร็ว เช่น ความสามารถในการสร้างเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสูง สามารถมอง วัด หรือสร้างวัตถุในระดับนาโนได้อย่างแม่นยำ และยังได้ผนวกกับวิทยาการคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีสารสนเทศ จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูล และศึกษาคุณสมบัติของสสารได้รวดเร็วอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน

ทำความรู้จักกับนาโนเทคโนโลยีในธรรมชาติ

เมื่อพูดถึงนาโนเทคโนโลยี คนทั่วไปได้ยินแล้วอาจจะนึกภาพไม่ออกและดูเหมือนจะไม่ได้สัมผัสกับมัน แต่จริง ๆ แล้ว นาโนเทคโนโลยนั้นมีอยู่แล้วในธรรมชาติ อยู่ในสิ่งต่าง ๆ รอบตัวเรา เพียงแต่บางคนอาจจะไม่ได้สังเกตหรือไม่ได้ให้ความสนใจ ตัวอย่างนาโนเทคโนโลยีที่มีอยู่ในธรรมชาติ ยกตัวอย่างเช่น

ตีนตุ๊กแก
สัตว์เลื้อยคลานอย่างตุ๊กแกและจิ้งจกสามารถปีนกำแพงหรือเกาะติดผนังที่ราบเรียบและลื่นได้อย่างมั่นคง และในบางครั้งก็สามารถห้อยตัวติดเพดานอยู่ด้วยนิ้วตีนเพียงนิ้วเดียว ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะบริเวณใต้อุ้งตีนของตุ๊กแกจะมีขนขนาดเล็กที่เรียกว่าซีเต้ (setae) จำนวนนับล้านเส้นเรียงตัวอัดแน่นอยู่ โดยที่ส่วนปลายของขนซีเต้แต่ละเส้นนี้ก็ยังมีเส้นขนที่มีขนาดเล็กกว่าที่เรียกว่าสปาตูเล่ (spatulae) ประกอบอยู่อีกหลายร้อยเส้น โดยที่สปาตูเล่แต่ละเส้นจะมีขนาดเล็กประมาณ 200 นาโนเมตรและที่ปลายของสปาตูเล่แต่ละเส้นจะสามารถสร้างแรงดึงดูดทางไฟฟ้าที่เรียกว่าแรงวานเดอวาลส์ (van der Waals force) เพื่อให้ในการยึดติดกับโมเลกุลของสสารที่เป็นส่วนประกอบของผนังหรือเพดานได้ ถึงแม้ว่าแรงวานเดอวาลส์จะเป็นแรงยึดเหนี่ยวที่อ่อนแอมาก แต่การที่ตีนตุ๊กแกมีเส้นขนสปาตูเล่อยู่หลายล้านเส้นจึงทำให้เกิดแรงยึดเหนี่ยวทางไฟฟ้าขึ้นอย่างมหาศาลจนสามารถทำให้ตีนตุ๊กแกยึดติดกับผนังได้อย่างเหนียวแน่น ด้วยหลักการนี้เองจึงทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นเทคโนโลยีแถบยึดตุ๊กแก (Gecko Tape) ขึ้นมาจากวัสดุสังเคราะห์ชนิดใหม่ที่มีลักษณะเป็นขนขนาดนาโน (nanoscopic hairs) เลียนแบบขนสปาตูเล่ที่อยู่บนตีนตุ๊กแกในธรรมชาติ เพื่อนำไปผลิตแถบยึดที่ปราศจากการใช้กาว และผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ อย่าง ถุงมือ ผ้าพันแผล ตลอดจนสามารถพัฒนาไปเป็นล้อของหุ่นยนต์ที่สามารถไต่ผนังหรือเคลื่อนที่ขึ้นลงในแนวดิ่งได้อีกด้วย

ภาพประกอบ ตีนตุ๊กแกภาพประกอบ ตีนตุ๊กแก
 
ใบบัว (สารเคลือบนาโน)
การที่ใบบัวมีคุณสมบัติที่เกลียดน้ำก็เพราะว่าพื้นผิวของใบบัวมีลักษณะคล้ายกับหนามขนาดเล็กจำนวนมหาศาลเรียงตัวกระจายอยู่อย่างเป็นระเบียบโดยที่หนามขนาดเล็กเหล่านี้ก็ยังจะมีปุ่มเล็กๆ ที่มีขนาดในช่วงระดับนาโนเมตรและเป็นสารที่มีคุณสมบัติคล้ายขี้ผึ้งซึ่งเกลียดน้ำเคลือบอยู่ภายนอกอีกด้วย จึงทำให้น้ำที่ตกลงมาบนใบบัวมีพื้นที่สัมผัสน้อยมาก และไม่สามารถซึมผ่านหรือกระจายตัวแผ่ขยายออกในแนวกว้างบนใบบัวได้ ดังนั้นน้ำจึงต้องม้วนตัวเป็นหยดน้ำขนาดเล็กกลิ้งไปรวมกันอยู่ที่บริเวณที่ต่ำที่สุดบนใบบัว นอกจากนี้สิ่งสกปรกทั้งหลายไม่ว่าจะเป็นผงฝุ่น เชื้อแบคทีเรีย และเชื้อรา ก็ไม่สามารถเกาะติดแน่นอยู่กับใบบัวได้เช่นเดียวกันเพราะว่ามีพื้นที่สัมผัสกับใบบัวได้แค่เพียงบริเวณปลายยอดของหนามเล็กๆ แต่ละอันเท่านั้น ดังนั้นเมื่อเวลาที่มีน้ำตกลงมาสิ่งสกปรกที่เกาะอยู่บนใบบัวก็จะหลุดติดไปกับหยดน้ำอย่างง่ายดายจึงทำให้ใบบัวสะอาดอยู่ตลอดเวลา

นักวิทยาศาสตร์จึงได้นำหลักการของน้ำกลิ้งบนใบบัว (Lotus effect) มาใช้ในการสังเคราะห์วัสดุชนิดใหม่เลียนแบบคุณลักษณะของใบบัว หรือการนำไปประยุกต์ใช้เป็นสีทาบ้านที่สามารถไม่เปียกน้ำและสามารถทำความสะอาดตัวเองได้ รวมไปถึงการพัฒนาเป็นเสื้อผ้ากันน้ำไร้รอยคราบสกปรก
 
ภาพประกอบ ใบบัวภาพประกอบ ใบบัว
 

เปลือกหอยเป๋าฮื้อ (นาโนเซรามิกส์)
สารเคมีที่เป็นองค์ประกอบหลักของเปลืยกหอยเป๋าฮื้อคือ แคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) ซึ่งเป็นสารชนิดเดียวกันกับชอล์คเขียนกระดาน อย่างไรก็ตาม ลักษณะทางกายภาพและคุณสมบัติทางเคมีของเปลือกหอยและชอล์คมีความแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง โดยที่ชอล์คจะเปราะ หักง่าย เป็นผงฝุ่นสีขาว แต่เปลือกหอยจะมีลักษณะเป็นมันวาวและมีความแข็งแรงสูงมาก ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะการจัดเรียงตัวในระดับโมเลกุลของแคลเซียมคาร์บอเนตที่พบในชอล์คและเปลือกหอยมีความแตกต่างกันมาก

โดยเมื่อใช้กล้องขยายกำลังสูงส่องดูโครงสร้างระดับโมเลกุลของเปลือกหอยเป๋าฮื้อพบว่าการจัดเรียงตัวของโมเลกุลแคลเซียมคาร์บอเนตมีลักษณะคล้ายเป็นกำแพงอิฐก่อที่เรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ โดยที่ก้อนอิฐขนาดนาโนแต่ละก้อนนี้จะเชื่อมติดกันด้วยกาวที่เป็นโปรตีนและพอลิแซคคาไรด์ จากโครงสร้างที่จัดเรียงกันอย่างเป็นระเบียบนี้จึงทำให้เปลือกหอยเป๋าฮื้อทนทานต่อแรงกระแทกมาก ยกตัวอย่างเช่น ให้ค้อนทุบไม่แตก เป็นต้น

เปลือกหอยเป๋าฮื้อ เป็นตัวอย่างที่ดีในการอธิบายคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของวัสดุต่างๆ ที่มีองค์ประกอบเป็นสารเคมีชนิดเดียวกันทุกประการแต่มีคุณสมบัติเปลี่ยนแปลงไปตามการจัดเรียงตัวของโครงสร้างในช่วงนาโน เช่นอะตอมและโมเลกุล ดังนั้นนักนาโนเทคโนโลยีจึงสามารถใช้ความรู้นี้ในการสร้างวัสดุใหม่ๆ ให้มีคุณสมบัติต่างไปจากเดิมได้

ภาพประกอบ เปลือกหอยเป๋าฮื้อภาพประกอบ เปลือกหอยเป๋าฮื้อ
 

ผีเสื้อบางชนิด (Polyommatus sp.)
สามารถดึงดูดเพศตรงข้ามหรือหลบหนีศัตรูได้โดยการเปลี่ยนสีปีก เช่นจากสีน้ำเงินไปเป็นสีน้ำตาล ซึ่งการเปลี่ยนแปลงสีปีกนี้ไม่ได้อาศัยสารมีสีชนิดต่างๆ ที่อยู่ในปีกผีเสื้อ แต่กลับอาศัยหลักการหักเหและการสะท้อนของแสงแดดที่มาตกกระทบลงบนปีก โดยถ้ามุมที่แสงตกกระทบมีความแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย สีที่ปรากฎบนปีกผีเสื้อก็จะแตกต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น ถ้าแสงแดดมาตกกระทบกับโครงสร้างที่อยู่ในปีกผีเสื้อในมุมใดมุมหนึ่งจะสะท้อนแสงสีน้ำเงินออกมา แต่ในขณะเดียวกันก็ดูดซับแสงสีอื่นๆ ไว้ทั้งหมด ทำให้เราเห็นผีเสื้อมีปีกสีน้ำเงิน เมื่อนักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องขยายกำลังสูงส่องดูปีกผีเสื้อชนิดที่สามารถเปลี่ยนสีก็พบรูพรุนที่มีขนาดในช่วงนาโนจำนวนมหาศาลเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบซึ่งทำหน้าที่เป็นเสมือนผลึกโฟโต้นิกส์ในธรรมชาติ นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังได้ตั้งสมมุติฐานว่าการเปลี่ยนสีของปีกผีเสื้อชนิดนี้ยังเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิได้อีกด้วย ซึ่งจากการค้นพบนี้ทำให้นักวิทยาศ่าสตร์สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการสร้างผลึกโฟโต้นิกส์สังเคราะห์ที่ยืดหยุ่นได้ดีและเปลี่ยนคุณสมบัติไปตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป ซึ่งสามารถนำไปใช้ผลิตเสื้อผ้าป้องกันความร้อนที่ใช้ในทะเลทรายหรือห้วงอวกาศ

ภาพประกอบ ผีเสื้อภาพประกอบ ผีเสื้อ
ใยแมงมุม (เส้นใยนาโน)
แมงมุมเป็นสัตว์เพียงชนิดเดียวที่สามารถสร้างและปั่นทอเส้นใยได้ โดยที่ใยแมงมุมเป็นเส้นใยที่มีความแข็งแรงและเหนียวมาก ใยแมงมุมสามารถหยุดแมลงที่บินด้วยความเร็วสูงสุดได้โดยที่ใยแมงมุมไม่ขาด นักวิทยาศาสตร์พบว่าแมงมุมมีต่อมพิเศษที่สามารถหลั่งโปรตีนที่ละลายในน้ำได้ชนิดหนึ่งชื่อว่า ไฟโบรอิน (Fibroin) โดยเมื่อแมงมุมหลั่งโปรตีนชนิดนี้ออกมาจากต่อมดังกล่าวโปรตีนดังกล่าวจะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวไปเป็นของแข็ง หลังจากนั้นแมงมุมก็จะใช้ขาในการถักทอโปรตีนเหล่านี้เป็นเส้นใยที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งก็คือใยแมงมุมนั่นเอง บริษัทในต่างประเทศแห่งหนึ่งสามารถสร้างใยแมงมุมเลียนแบบแมงมุมได้โดยการตัดต่อยีนที่ควบคุมการสร้างโปรตีนไฟโบรอินจากแมงมุมแล้วนำไปใส่ไว้ในโครโมโซมของแพะ เพื่อให้นมแพะมีโปรตีนใยแมงมุม ก่อนที่จะแยกโปรตีนออกมาแล้วปั่นทอเป็นเส้นใยเพื่อใช้ในการผลิตเสื้อเกราะกันกระสุนที่แข็งแรงแต่มีน้ำหนักเบา โดยเส้นใยที่สร้างขึ้นนี้มีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กถึงห้าเท่าเมื่อมีน้ำหนักเท่ากัน นอกจากนี้ยังสามารถนำใยแมงมุมไปใช้เป็นเส้นใยผ้ารักษาแผลสดได้อีกด้วย
ภาพประกอบ ใยแมงมุมภาพประกอบ ใยแมงมุม
ภาพประกอบ
http://www.loe.org
http://www.berkeley.edu
http://web.ujf-grenoble.fr
http://www.vlinderstichting.nl
http://www.nbdonline.nl
http://eebweb.arizona.edu
http://www.kompetenznetze.de
http://eebweb.arizona.edu
http://www.andrewlost.com
http://www.spiderzrule.com/
 
Learn more from word: nanotechnology quiz,  nanostar
Google

คลิ๊กนี้มีความหมาย

Copyright (c) 2011 by www.engineerthailand.com