นาโนเทคโนโลยี ( Nanotechnology) คือ เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการจัดการ การสร้างหรือการวิเคราะห์ วัสดุ อุปกรณ์ เครื่องจักรหรือผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดเล็กมาก ๆ ในระดับนาโนเมตร(ประมาณ 1-100 นาโนเมตร) รวมถึงการออกแบบหรือการประดิษฐ์เครื่องมือเพื่อใช้สร้างหรือวิเคราะห์วัสดุในระดับที่เล็กมากๆ เช่น การจัดอะตอมและโมเลกุลในตำแหน่งที่ต้องการได้อย่างถูกต้องแม่นยำ ส่งผลให้โครงสร้างของวัสดุหรืออุปกรณ์มีคุณสมบัติพิเศษขึ้นไม่ว่าทางด้านฟิสิกส์ เคมี หรือชีวภาพ และสามารถนำไปใช้ให้เกิดประโยชน์ได้
นาโนศาสตร์ (Nanoscience) คือ วิทยาศาสตร์แขนงหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการศึกษา วัสดุ อินทรีย์ อนินทรีย์ และรวมไปถึงสารชีวโมเลกุล ที่มีโครงสร้างสามมิติ ยาว กว้าง สูง ด้านใดด้านหนึ่งอยู่ระหว่าง 1-100 นาโนเมตร โดยวัสดุชนิดใดก็ตาม ถ้ามีมิติทั้งสามเล็กกว่า 100 นาโนเมตร วัสดุชนิดนั้นก็จะถูกเรียกว่า สาม-ดี วัสดุนาโน (3-D nanomaterial) ถ้ามีแค่ สอง หรือ หนึ่งมิติ ที่เล็กกว่า 100 นาโนเมตร ก็จะถูกเรียกว่าวัสดุ สอง-ดี (2-D) และ หนึ่ง-ดี (1-D) ตามลำดับ คุณสมบัติของวัสดุนาโนจะแตกต่างจากวัสดุขนาดใหญ่ (bulk materials) ไม่ว่าจะเป็นคุณสมบัติ ทางฟิสิกส์ เคมี และชีวภาพ ล้วนแล้วแต่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว ดังนั้นถ้าพูดถึง นาโนศาสตร์ ก็จะเป็นการสร้างหรือศึกษาวัสดุที่มีโครงสร้างในระดับนาโนเมตร โดยผลลัพย์ที่ได้ก็คือ จะได้วัสดุชนิดใหม่หรือรู้คุณสมบัติที่แตกต่าง และน่าสนใจ โดยคุณสมบัติเหล่านั้นจะถูกอธิบายด้วยทฤษีทางควอนตัม (quantum theory)
ประวัติ
คลิสตศตวรรษ ที่ 20 | |||||||||||||||||||||||||
คำว่า “นาโนเทคโนโลยี (nanotechnology)” ถูกนำมาใช้เป็นครั้งแรก โดยนักวิทยาศาสตร์ที่ชื่อ โนริโอะ ทานิกูชิ (Norio Taniguchi) แห่งมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์แห่งกรุงโตเกียว (Tokyo Science University) ประเทศญี่ปุ่น เขาใช้คำว่านาโนเทคโนโลยีนี้เพื่อที่จะบรรยายถึงว่าเป็น “เทคโนโลยีการผลิตที่มีความถูกต้องแม่นยำสูงเป็นพิเศษ และก้าวข้ามพ้นมิติของเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบัน อย่างเช่น ความแม่นยำที่สุดและถูกต้องที่สุดในระดับขนาด 1 นาโนเมตร ” | |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
ศาสตราจารย์ชาร์ล มอริสัน และเอ็มม่า มอริสัน (Charles & Emma Morrison) ผู้เชี่ยวชาญทางด้านเคมีแห่งมหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์น (Northwestern University) ประเทศสหรัฐอเมริกา มาร์ก รัทเนอร์ (Mark A. Ratner) และแอฟแวรม (A. Aviram) แห่งบริษัทไอบีเอ็ม ทั้งสี่คนได้ร่วมกันเสนอแนวคิดเกี่ยวกับว่า โมเลกุลเฉพาะแต่ละโมเลกุลสามารถแสดงพฤติกรรมเหมือนอุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานได้ ด้วยเหตุนี้จึงเป็นไปได้ที่คอมพิวเตอร์จะถูกสร้างขึ้นมาในทิศทางของวิธีการจากเล็กไปใหญ่ (bottom - up) โดยการประกอบกันของโมเลกุลแต่ละตัวเข้าเป็นส่วนประกอบภายในวงจรได้ จาก สมมติฐานนี้จึงนำไปสู่ทิศทางการนำไปประยุกต์ใช้ทางด้านนาโนเทคโนโลยี จากผลงานการนำเสนอแนวคิดนี้ ทำให้มาร์ก รัทเนอร์ได้ชื่อว่าเป็นเสมือนบิดาทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล (molecular-scale electronics) | |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
สเปกโตรสโกปี (spectroscopy) เป็นกลุ่มหนึ่งของเทคนิคต่างๆ ซึ่งใช้ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับสสาร เพื่อใช้ในการวิเคราะห์ข้อมูลเกี่ยวกับคุณลักษณะของสสาร และโครงสร้างของโมเลกุล นักวิทยาศาสตร์คือเซอร์จันดราเซกฮาร่า เวนกาต้า รามาน (Chandrasekhara Venkata Raman) แห่งมหาวิทยาลัยแคลคัตตา (Calcutta University) ซึ่งเป็นผู้ที่ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี ค.ศ. 1930 จากผลงานการค้นพบของเขาในปี ค.ศ. 1928 ที่เขาพบว่าหากนำตัวอย่างมาศึกษาโดยเทคนิคสเปกโตรสโกปี ข้อมูลที่ได้จากการกระเจิงแสงของโมเลกุลของตัวอย่างนั้น สามารถที่จะนำมาใช้อธิบายเกี่ยวกับส่วนประกอบเชิงเคมีและโครงสร้างโมเลกุลของตัวอย่างได้ แต่ทว่าในตอนนั้นเครื่องมือของรามานยังไม่สามารถที่จะนำมาใช้ศึกษาในระดับนาโนเมตรได้ แต่ภายหลังในปี ค.ศ. 1960 เมื่อมีการประดิษฐ์ลำแสงเลเซอร์ขึ้นมาได้ เทคนิคนี้ก็ได้รับโอกาสในการปรับปรุงให้สามารถใช้งานได้มากยิ่งขึ้น จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1977 นักวิทยาศาสตร์ชื่อริชาร์ด แวน ดายน์ (Richard P. Van Duyne) แห่งมหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์น (Northwestern University) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ค้นพบพื้นผิวที่ช่วยทำให้เกิดสเปกโตรสโกปีของรามานได้ดีขึ้น (surface enhance raman spectroscopy : SERS) ซึ่งทำให้สามารถใช้ในการศึกษาที่ละเอียดระดับนาโนเมตรได้ โดยแวน ดายน์ได้บรรยายไว้ว่าเมื่อโมเลกุลได้สัมผัสกับพื้นผิวหนึ่งที่มีลักษณะเป็นเนินเล็กๆ และมีช่องว่างระหว่างเนิน โดยมีขนาดประมาณ 50 – 100 นาโนเมตร จะทำให้ความเข้มของรามานถูกขยายมากขึ้นอีกเป็น 1,000,000 เท่า ด้วยเหตุนี้ทำให้มีการใช้ SERS นี้ในเทคนิคสเปกโตรสโกปีระดับโมเลกุลกันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน | |||||||||||||||||||||||||
ปัจจุบัน SERS ถูกนำมาใช้ในการศึกษาปฏิกิริยาเชิงไฟฟ้าเคมีของโมเลกุล การเร่งปฏิกิริยาเคมี การสังเคราะห์สาร และนำมาใช้ในทางชีวเคมี | |||||||||||||||||||||||||
ค.ศ.1981 | |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
เกิร์ด บินนิง (Gerd Binning) และ เฮนริช โรห์เรอ (Heinrich Rohrer) นักวิจัยในห้องปฏิบัติการของบริษัทไอบีเอ็ม ประเทศสวิสเซอร์แลนด์ ได้ประดิษฐุ์ เครื่อง STM (scanning tunneling microscope) ขึ้นจนสำเร็จ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถที่จะเห็นภาพของโลกระดับนาโนเมตรได้เป็นผลสำเร็จ แต่ไม่เพียงแต่สามารถมองเห็นอนุภาคระดับนาโน โมเลกุลขนาดเล็ก หรืออะตอมเดี่ยวได้เพียงเท่านั้น แต่ยังสามารถที่จะใช้ในการควบคุมจัดการกับอนุภาคระดับนาโน อะตอม หรือโมเลกุลขนาดเล็กได้อีกด้วย อย่างเช่น การจัดเรียงอะตอมทีละอะตอมเข้าเป็นโมเลกุลหนึ่ง เป็นต้น และจากผลงานการประดิษฐ์เครื่องมือนี้ขึ้นมา ทำให้ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบล ในปี ค.ศ. 1986 | |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
ศาสตราจารย์ฮาโรลด์ โครโต้ (Harold Kroto) แห่งมหาวิทยาลัยซัสเซก (University of Sussex) ประเทศอังกฤษ ริชาร์ด สมอลลี่ (Richard Smalley) และ โรเบิร์ต เคิร์ล (Robert Curl) แห่งมหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice University) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ค้นพบโครงสร้างโมเลกุลของคาร์บอนแบบใหม่ นั่นคือ บัคมินสเตอร์ฟลูเลอรีน (buckminsterfullerene) หรืออีกชื่อหนึ่งที่เรียกกันว่า บัคกี้บอล (buckyball) ซึ่งเป็นโครงสร้างระดับนาโนเมตรของโมเลกุลคาร์บอนที่สร้างขึ้นมาจากอะตอมของคาร์บอนจำนวน 60 อะตอมเชื่อมต่อกัน และมีรูปร่างที่สมมาตรคล้ายกับลูกฟุตบอล โดยเป็นโครงสร้างที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1 นาโนเมตรเท่านั้น เนื่องจากการค้นพบนี้ทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบล สาขาเคมี ในปี ค.ศ. 1996 | |||||||||||||||||||||||||
ค.ศ 1986 | |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
เกิร์ด บินนิ่ง (Gerd Binning) และคณะได้ประดิษฐ์ เครื่อง AFM (atomic force microscope)ซึ่งเป็นเครื่องมือที่ใช้ปลายแหลมที่มีขนาดเล็กระดับเป็นอะตอมเดี่ยว (หรือมีขนาดเพียงหนึ่งอะตอมเท่านั้น) ใช้ตรวจสอบพื้นผิวของวัตถุโดยตรงในระดับความละเอียดของช่วง 1-100 นาโนเมตรได้ และสามารถที่จะสร้างเป็นภาพในรูปแบบสามมิติ เพื่อแสดงลักษณะพื้นผิวของวัตถุที่ถูกวัดด้วยกำลังขยายที่สูงมาก (ประมาณได้ว่าเกือบ 1,000,000 เท่าของวัตถุที่ถูกวัด) | |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
ศาสตราจารย์อีริค เดรกส์เลอร์ (Eric Drexler) นักวิทยาศาสตร์ผู้นำเสนอแนวคิดเทคโนโลยีการสร้างระดับนาโนแบบจากเล็กไปใหญ่ (bottom-up) ในหนังสือของเขาที่ชื่อว่า “จักรกลที่ใช้ในการสร้างสรรค์ (engines of creation)” ซึ่งเป็นหนังสือที่อธิบายเกี่ยวกับสิ่งที่จะเป็นไปได้ในการสร้างระดับนาโน และประโยชน์ที่จะเกิดขึ้นในอนาคตจากความก้าวหน้าทางด้านนาโนเทคโนโลยีนี้ ซึ่งจากแนวคิดของศาสตราจารย์เดรกส์เลอร์นี้ ทำให้เกิดกระแสกระตุ้นความสนใจของเหล่านักวิทยาศาสตร์ทั้งหลายเกี่ยวกับว่าจะสามารถทำได้จริงหรือไม่ โดยมีทั้งกลุ่มที่เห็นด้วยและไม่เห็นด้วยในแนวคิดที่เขาได้นำเสนอไว้
ค.ศ. 1987
ทีโอดอร์ ฟูลตัน (Theodore Fulton) และเจอรัลด์ โดแลน (Gerald Dolan) นักวิจัยในห้องปฏิบัติการเบล (Bell Labs) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้สร้างผลงานการประดิษฐ์ใหม่ที่เรียกว่า ทรานซิสเตอร์แบบอิเล็กตรอนเดี่ยวลอดผ่าน (single-electron tunneling transistor : SET) โดยภายในอุปกรณ์นี้สามารถควบคุมการเคลื่อนที่โดยลอดผ่านของอิเล็กตรอนเดี่ยวได้ ซึ่งเป็นการควบคุมในระดับนาโนได้เป็นผลสำเร็จครั้งแรก โดยอุปกรณ์นี้จะทำงานโดยอาศัยปรากฏการณ์การลอดผ่านระดับควอนตัมของอิเล็กตรอน (tunnel effect) ข้ามผ่านฉนวนหนาประมาณ 1 นาโนเมตรที่กั้นขวางระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองขั้ว (ประมาณฉนวนนั้นได้ว่าเป็นอะตอมจำนวน 3 อะตอมเรียงตัวกันเป็น 1 แถว)
ค.ศ. 1988
ดร.หลุยส์ บรัส (Louis Brus) และทีมวิจัยของเขา ณ ห้องปฏิบัติการเบลล์ (Bell Labs) ได้ประสบกับเหตุการณ์สำคัญหนึ่งต่อการพัฒนาทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโน โดยค้นพบว่าผลึกระดับนาโนที่มีขนาดต่างๆ กันของสารกึ่งตัวนำชนิดเดียวกัน เช่น สารกึ่งตัวนำแคดเมียมเซลิไนด์ (CdSe) สามารถแสดงพฤติกรรมของสีที่แตกต่างกันออกไปอย่างน่าประหลาดใจ ซึ่งผลึกที่มีขนาดระดับนาโนเมตรของสารกึ่งตัวนำเหล่านี้เรียกกันว่าควอนตัม ดอท (quantum dot) และจากผลงานการค้นพบนี้ก็ทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้เข้าใจขอบเขตของปรากฎการณ์ระดับควอนตัม ที่เกิดขึ้นในความสัมพันธ์ระหว่างขนาดและสีของผลึกนาโนมากยิ่งขึ้น
ควอนตัม ดอท มีขีดความสามารถที่จะปฏิวัติวิธีการเก็บสะสมพลังงานแสงอาทิตย์ สามารถนำมาใช้สำหรับการวินิจฉัยทางด้านการแพทย์ โดยถูกใช้เป็นตัวบ่งชี้ (indicator) ทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพ และนำมาพัฒนาสู่อุปกรณ์คุณสมบัติทางแสงระดับนาโน อย่างเช่น แอลอีดี (LEDs) เป็นต้น
ค.ศ. 1990
นักฟิสิกส์ของศูนย์วิจัยไอบีเอ็ม (IBM) ชื่อดอน ไอเกลอร์ (Don Eigler) ประสบความสำเร็จในการจัดเรียงอะตอมของธาตุซีนอน (xenon) ทีละอะตอมเป็นตัวอักษร IBM ได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นการจัดเรียงอะตอมในระดับนาโนเมตรโดยใช้เครื่อง STM (scanning tunneling microscope) ซึ่งเป็นเหตุการณ์หนึ่งที่พิสูจน์ให้เห็นว่า เทคโนโลยีของมนุษย์สามารถเข้าไปจัดการสร้างโครงสร้างในระดับอะตอมได้
ค.ศ. 1991
ซูมิโอะ ลิจิมา (Sumio Lijima) นักวิจัยของบริษัทเอ็นอีซี (NEC) ประเทศญี่ปุ่น ได้ค้นพบโครงร่างแบบใหม่ของคาร์บอนที่เป็นลักษณะท่อเล็กที่มีขนาดในระดับนาโนเมตร หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า ท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotube) ที่เกิดขึ้นมาจากแผ่นกราไฟต์ และหลังจากนั้นอีกสองปีลิจิมาก็ทำงานร่วมกันกับโดนัล เบททูน (Donald Bethune) ของบริษัทไอบีเอ็ม (IBM) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ทำการสำรวจพบว่าโครงสร้างท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวนั้น เป็นโครงสร้างมีขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1-2 นาโนเมตรเท่านั้น
ท่อนาโนคาร์บอนสามารถแสดงพฤติกรรมได้เหมือนกับโลหะหรือสารกึ่งตัวนำ แต่สามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดง สามารถถ่ายโอนความร้อนได้ดีกว่าเพชร และเป็นโครงสร้างวัสดุที่แข็งแรงที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยรู้จักกันมา ดังนั้นในปัจจุบันจึงมีการนำท่อนาโนคาร์บอนมาประยุกต์ใช้ประโยชน์กันมากในด้านต่างๆ โดยเฉพาะคุณสมบัติพิเศษทางด้านไฟฟ้าและเชิงกล
ค.ศ. 1996
ตั้งแต่ไมเคิล ฟาราเดย์ค้นพบคุณสมบัติที่พิเศษทางอิเล็กทรอนิกส์และทางแสงของคอลลอยด์ธาตุทองคำในปี ค.ศ. 1857 เหล่านักวิจัยก็พยายามที่จะศึกษาและนำความพิเศษนี้ไปประยุกต์ใช้กันเป็นอย่างมาก
ในปี ค.ศ. 1996 นักวิจัยชื่อแชด เมอร์กิ้น (Chad Mirgin) และโรเบิร์ต เล็ทซิงเกอร์ (Robert Letsinger) แห่งมหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์น (Northwestern University) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ค้นพบวิถีทางในการนำคอลลอยด์ของธาตุทองคำมาประยุกต์ใช้งานทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโน โดยที่พวกเขาทำการประกอบสายเกลียวของดีเอ็นเอสังเคราะห์เข้ากับอนุภาคนาโนของทองคำได้สำเร็จ และเนื่องจากคุณสมบัติที่พิเศษของดีเอ็นเอ ที่แต่ละสายเกลียวสามารถที่จะประกอบตัวเข้าด้วยกันอย่างถูกต้องกับอีกสายเกลียวหนึ่งได้ ดังนั้นแล้วความเป็นไปได้ที่จะเกิดขึ้นก็คือดีเอ็นเอจึงถูกใช้เป็นเสมือนพิมพ์เขียวในกระบวนการทำงาน เพื่อคัดเลือกและสร้างสารอนินทรีย์ใหม่ขึ้นมาได้ และจากการใช้คุณสมบัติการประกอบตัวกันเองได้อย่างถูกต้องของดีเอ็นเอนี้ เหล่านักวิจัยสามารถที่จะสังเคราะห์สารใหม่ที่มีคุณสมบัติพิเศษขึ้นมา เพื่อใช้เป็นหน่วยโครงสร้างพื้นฐานระดับนาโนและมันก็สามารถสร้างตัเองขึ้นมาเองได้ ซึ่งผลจากการค้นพบนี้ ทำให้เหล่านักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจในสถาปัตยกรรมการออกแบบโครงสร้างของสารประกอบร่วมกัน ระหว่างสารอินทรีย์และ สารอนินทรีย์ ในระดับนาโนกันอย่างจริงจังมากขึ้น
ค.ศ. 1999
การพัฒนาที่สำคัญยิ่งในแวดวงของเทคนิคการใช้เครื่องมือทางด้านนาโนเทคโนโลยี คือวิธีการdip-pen nanolithography หรือ DPN ซึ่งถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี ค.ศ. 1999 โดยแชด เมอร์กิน (Chad Mirgin) ศาสตราจารย์ทางด้านเคมีและเป็นผู้บริหารของสถาบันนาโนเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยนอร์ท เวสเทิร์น (Northwestern University) ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งสร้างขึ้นมาจากแรงบันดาลใจของปากกาขนนกที่ใช้กันในอดีต โดยวิธีการ DPN นี้เป็นการใช้ปลายแหลมของเครื่อง AFM เป็นปากกาสำหรับเขียนลงบนพื้นผิววัตถุ โดยใช้อะตอมเดี่ยวของธาตุใดธาตุหนึ่งเป็นน้ำหมึก (ซึ่งก็เป็นน้ำหมึกที่มีมิติของขนาดระดับนาโนเมตร) เพื่อสร้างโครงสร้างระดับนาโนขึ้นมา
ประโยชน์ของนาโนเทคโนโลยี
ความหวังที่จะฝ่าวิกฤติปัจจุบันของมนุษยชาติจากนาโนเทคโนโลยีมีดังนี้
ตัวอย่างผลงานจากนาโนเทคโนโลยี
อ้างอิง |