วันพุธที่ 12 พฤศจิกายน พ.ศ. 2551

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับนาโนเทคโนโลยี

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับนาโนเทคโนโลยี


บทสรุปสำหรับผู้บริหาร
นาโนเทคโนโลยีเป็นเทคโนโลยีในการประกอบ และผลิตสิ่งต่างๆ ขึ้นมาจากการจัดเรียงอะตอม หรือโมเลกุลเข้าด้วยกัน ด้วยความแม่นยำ และถูกต้องในระดับนาโนเมตร (1/1,000,000,000 เมตร) ความรู้ทางกลศาสตร์ควอนตั้ม มิได้ปฏิเสธความเป็นไปได้ของเทคโนโลยีนี้ ทั้งยังกลับเป็นประโยชน์ในการช่วยพัฒนา เทคโนโลยีนี้ให้เกิดขึ้นอีกด้วย คำถามที่ว่า เทคโนโลยีจะเกิดขึ้นหรือไม่ จึงมีคำตอบแล้วว่า ต้องเกิดขึ้นอย่างแน่นอน หากแต่เมื่อไหร่เท่านั้น รูปแบบของนาโนเทคโนโลยีที่จะเกิดขึ้นในอนาคต เป็นสิ่งที่ยากจะทำนาย เนื่องจากความที่เทคโนโลยีมีลักษณะของการพัฒนา คล้ายพัฒนาการของสิ่งมีชีวิต คือ มีวิวัฒนาการ (evolution) อย่างไรก็ตาม เราอาจจะยึดแนวทางของนาโนเทคโนโลยีที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติ เป็นตัวนำทาง เพื่อนำไปสู่นาโนเทคโนโลยีฝีมือมนุษย์ ที่มีประสิทธิภาพ เพื่อสนองความต้องการของเรา คือ ความกินดีอยู่ดี ในท้ายที่สุด
นาโนเทคโนโลยีจะเป็นเทคโนโลยีแห่งอนาคตที่จะเข้ามามีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนา อุตสาหกรรมระดับโลก เพราะการพัฒนาโดยเทคโนโลยีปัจจุบัน (ไมโครเทคโนโลยี) ได้มาถึง ทางตันแล้ว ในอนาคตเราอาจได้พบเห็นสิ่งที่ไม่สามารถพบเห็นได้ในปัจจุบันเช่น สินค้าที่สร้าง ตัวเองได้ คอมพิวเตอร์เร็วขึ้นล้านเท่า การไขปริศนาโรคภัยไข้เจ็บ รวมถึงความเป็นอมตะ การสร้างอาหารที่ไม่มีวันหมด การเพาะพันธุ์สัตว์ที่สูญพันธุ์ขึ้นใหม่ การใช้พลังงานแสงอาทิตย์อย่างเต็มที่ และสิ่งประดิษฐ์ใหม่ๆ อีกมากมาย ตามแต่มนุษย์จะจินตนาการไปถึง
คุณสมบัติของการผลิตที่ใช้นาโนเทคโนโลยีนั้นจะมีลักษณะดังต่อไปนี้
1. สามารถจัดเรียงอะตอมได้ตรงตำแหน่งที่ต้องการ ซึ่งจะทำให้กำหนดคุณสมบัติของวัตถุได้ตามที่เราต้องการ
2. เป็นการผลิตแบบ down-top คือผลิตจากหน่วยย่อยไปสู่หน่วยใหญ่ จากเดิมที่ผลิตแบบtop-down ซึ่งจะใช้ในการสร้างเครื่องมือขึ้นมาเพื่อสร้างวัสดุที่ต้องการอีกชั้นหนึ่ง
3. สามารถออกแบบโครงสร้างเกือบทุกอย่างให้สอดคล้องกับกฎของฟิสิกส์ได้ถึงระดับโมเลกุล
4. ต้นทุนการผลิตต่ำกว่าต้นทุนของวัตถุดิบ
5. พลังงานที่ใช้ในการผลิตลดลง
แนวทางการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีดังกล่าวแนวทางหนึ่งคงหนีไม่พ้นการที่จะทำให้คนมีสุขภาพดี สามารถรักษาโรคได้หรือแม้แต่สามารถทำนายได้ว่าโอกาสและความเสี่ยงในการเกิดโรคของคนเราจะเป็นเท่าใด

บทนำ
วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนำความเปลี่ยนแปลงมาสู่โลกมาสู่ชีวิตของเราอยู่เสมอ ทุกวันนี้เราต้องอยู่ในโลกที่คนรุ่นปู่ย่าตายายไม่คุ้นเคย แม้แต่คนรุ่นพ่อแม่ก็ไม่ชิน โทรศัพท์มือถือ อินเทอร์เน็ต ยาไวอากร้า โคลนนิ่ง เหล่านี้เป็นสิ่งที่สังคมไม่เคยรู้จัก จนเมื่อเร็วๆ นี้ ในศตวรรษที่ผ่านมา เราได้เห็นอิทธิพลของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ทั้งในทางที่ดีและร้ายอันเป็นผลสืบเนื่องมาจากความก้าวหน้าทางวิชาการที่สำคัญ การล่วงรู้ความลับของโครงสร้างอะตอม นำไปสู่ความสามารถในการนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ประโยชน์ แต่ก็นำมาใช้ประหัตประหารกันได้ด้วย ความรู้เรื่องสารเคมีได้นำไปสู่อุตสาหกรรมเคมีและโพลิเมอร์ ทำให้คนทั่วไปได้มีเครื่องอุปโภคใหม่ๆ ในราคาไม่แพง แม้จะก่อปัญหาเรื่องมลพิษของสารเคมีตกค้างจากการเกษตรและอุตสาหกรรมในขณะเดียวกันด้วย ความรู้ในเรื่องของอิเล็กทรอนิกส์ได้นำมาสู่การประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยี สารสนเทศอย่างกว้างขวาง ความรู้เรื่องพันธุกรรมนำมาสู่การพัฒนายาและพันธุ์พืช พันธุ์สัตว์ใหม่ๆ แม้จะมีความเป็นห่วงกันอยู่ในด้านผลลบของเทคโนโลยีใหม่ๆ เหล่านี้อยู่บ้างก็ตาม
ท่ามกลางความเปลี่ยนแปลงที่มาจากวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเหล่านี้ มีความเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่กำลังเกิดขึ้นและมีทีท่าว่าจะเป็นความเปลี่ยนแปลงที่สำคัญมากของศตวรรษใหม่ ซึ่งอาจจะสำคัญยิ่งกว่าความเปลี่ยนแปลงที่แล้วๆ มาที่ก็จัดว่ายิ่งใหญ่มากอยู่แล้ว ความเปลี่ยนแปลงใหม่นี้เกิดจากการที่วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมีความก้าวหน้ามาถึงจุดที่จะสามารถออกแบบและสร้างวัสดุ และเครื่องมือเครื่องใช้ที่มีขนาดจิ๋วมาก จิ๋วจนวัดขนาดไม่ใช่ระดับมิลลิเมตร (หนึ่งในพันเมตร) ไม่ใช่ระดับไมโครเมตร (หนึ่งในล้านเมตร) แต่เป็นระดับนาโนเมตร (หนึ่งในพันล้านเมตร) ระดับนาโนเมตรเป็นระดับขนาดของโมเลกุลและอะตอม ดังนั้น วัสดุเครื่องมือเครื่องใช้ดังกล่าว จะมีขนาดเท่ากับโมเลกุลหรืออะตอมเท่านั้น เทคโนโลยีใหม่นี้เรียกว่า นาโนเทคโนโลยี (nanotechnology) เป็นเทคโนโลยีของการทำวัสดุ เครื่องมือและเครื่องใช้ขนาดจิ๋ว คำถามคือ จิ๋วดีอย่างไร คำตอบคือ ดีตรงที่สามารถทำงานได้ในระดับละเอียดสุดยอด ดีตรงที่ใช้เนื้อที่น้อย ดีตรงที่สามารถทำงานที่เดิมไม่เคยคาดฝันว่าจะทำได้ เคมีจิ๋ว วัสดุจิ๋ว อิเล็กทรอนิกส์ระดับจิ๋ว โฟตอนิกส์ระดับจิ๋ว (คล้ายอิเล็กทรอนิกส์ แต่ใช้อิเล็กตรอน) ทั้งหมดล้วนเป็นเรื่องจิ๋วที่ "ยิ่งใหญ่" ทั้งสิ้น (1)
ธรรมชาติได้พัฒนา และใช้งานนาโนเทคโนโลยี เพื่อสร้างสิ่งมีชีวิตต่างๆ ขึ้นมาทั้งสิ้น เมื่อเซลล์สเปิร์มปฏิสนธิกับไข่ในครรภ์มารดา เกิดเป็นเซลล์เดี่ยวที่แบ่งตัว และพัฒนาจนกลายเป็นทารกที่มีอวัยวะอันซับซ้อน พัฒนาการต่างๆ เหล่านั้น เกิดขึ้นโดยมีรูปแบบที่ค่อนข้างแน่นอน มีระบบควบคุม ทำให้อะตอม และโมเลกุลต่างๆ จัดเรียงตัว ณ ตำแหน่งที่เหมาะสม นับตั้งแต่โมเลกุล DNA อันเปรียบเสมือนเป็นหน่วยความจำ ROM (Read Only Memory) ของเซลล์ ได้ถ่ายทอดข้อมูลและสารสนเทศไปยัง RNA เพื่อให้ RNA นำคำสั่งเหล่านี้ไปสังเคราะห์โปรตีน ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่ทำหน้าที่สร้างสิ่งต่างๆ ในเซลล์ และนอกเซลล์ ดังนั้น จักรกลนาโน (nanomachines) เหล่านี้ มีอยู่แล้วในธรรมชาติ มีความสามารถในการสร้างสิ่งต่างๆ ด้วยความแม่นยำ ในระดับอะตอม (2)
นาโนเทคโนโลยีอาจดูเหมือนเรื่องไกลตัว และสามารถพบเห็นได้เพียงแต่ในภาพยนตร์ ฮอลีวูดเท่านั้น แต่ถ้าเราลองย้อนกลับมามองสิ่งต่างๆ ที่เกิดขึ้นรอบตัวเพียง 10 ปีที่ผ่านมา ก็จะพบว่าสิ่งที่เราไม่เคยนึกเคยฝันมาก่อนได้เกิดขึ้นมากมายไม่ว่าจะเป็นเทคโนโลยีสารสนเทศ (information technology) ซึ่งทำให้เราสามารถย่อโลกมาไว้ในมือ สื่อสารกันได้อย่างไร้พรมแดน อีกทั้งยังมี ยีนเทคโนโลยี และเทคโนโลยีชีวสารสนเทศ (bioinformatics) ที่ช่วยทำให้เราเข้าใจองค์ประกอบของชีวิตมากขึ้น โดยการถอดรหัสพันธุกรรมซึ่งเปรียบเสมือน “พิมพ์เขียว” ของสิ่งมีชีวิต ความรู้ที่ได้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ทางการแพทย์ และทางการเกษตรได้อย่างกว้างขวาง ดังนั้น นาโนเทคโนโลยี และ เทคโนโลยี DNA chip จึงไม่ใช่สิ่งที่ไกลตัวอีกต่อไป อย่างไรก็ตามเราควรพึงระลึกอยู่เสมอว่าไม่ว่าความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีจะก้าวไกลเพียงไร ต่างก็เป็นเพียงสิ่งประดิษฐ์ที่มนุษย์สร้างขึ้นเพื่อที่จะเลียนแบบระบบในธรรมชาติเท่านั้น เทคโนโลยีเหล่านี้คงจะเป็นบันทึกอีกหน้าหนึ่งในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติที่เราต้องเผชิญในอนาคตอันใกล้ (3)
คำว่า “นาโน” มีรากศัพท์มาจากภาษากรีก แปลว่า “คนแคระ” หมายถึง หนึ่งในพันล้านหน่วย หรือหนึ่งในพันล้านส่วน (4,5,6) แต่ที่นิยมเรียกกันจนติดปาก คือ นาโนเมตร (nanometre) ซึ่งหมายถึงสิบกำลังลบเก้าเมตร หรือ 1 ส่วนพันล้านของ 1 เมตร (7) หรือเรียกในอีกชื่อหนึ่งว่า แองสตรอม ยูนิต (angstrom unit) (8) ดังนั้น “นาโนเทคโนโลยี” คือ วิทยาการประยุกต์แขนงใหม่ที่ว่าด้วยเรื่องของเทคโนโลยีในการประกอบและผลิตสิ่งต่างๆ ขึ้นมาจากการจัดเรียงอะตอม หรือโมเลกุลเข้าด้วยกันด้วยความแม่นยำและถูกต้องในระดับนาโนเมตรหรือขนาด 1 ในพันล้านส่วนของ 1 เมตร โดยเป็นการผสมผสานของวิทยาศาสตร์หลายแขนง เช่น ชีววิทยา ฟิสิกส์ ชีวเคมี วิศวกรรมศาสตร์สาขา หุ่นยนต์ และเครื่องจักรกล (3,4,10)
นาโนศาสตร์ (nanoscience) หมายถึง การศึกษาหลักการพื้นฐานของโมเลกุลและ โครงสร้างขนาด 1 ถึง 100 นาโนเมตร (อักษรย่อ น.ม. –nm) โครงสร้างเหล่านี้เรียกโดยรวมว่า “โครงสร้างนาโน (nanostrutures)” โครงสร้างนาโนไม่เพียงเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีขนาดเล็กกว่าสิ่งใดๆ ที่มนุษย์เคยประดิษฐ์ขึ้นมาก่อนหน้านี้ แต่ยังเป็นสิ่งที่เล็กจิ๋วที่สุดที่เราสามารถสร้างขึ้นมาได้ ถ้าอยากรู้ว่า 1 น.ม. จิ๋วขนาดไหน ก็ลองเปรียบเทียบกับผมของคนเราดูจะพบว่า 1 น.ม. มีขนาดประมาณ 1/50,000 ส่วนของเส้นผมของคนเรา หรือเส้นผมมีขนาดประมาณ 50,000 น.ม. หรือเท่ากับอะตอมของไฮโดรเจน 10 ตัวรวมกัน ซึ่งสิ่งเล็กจิ๋วที่สุดที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้โดยไม่ต้องมีเครื่องช่วยมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 10,000 น.ม. (5)
ในอาณาจักรนาโน คุณสมบัติต่างๆ ของสสารที่เราเคยรู้จักคุ้นเคยในชีวิตประจำวัน เช่น ความสามารถในการเป็นสื่อนำไฟฟ้า ความแข็ง หรือจุดหลอมเหลว ถูกสั่นคลอนด้วยคุณสมบัติอันแปลกประหลาดในอาณาจักรของอะตอมและโมเลกุล อาทิ ภาวะทวิภาคของคลื่นกับอนุภาค และหลักความไม่แน่นอนทางควอนตั้ม สิ่งสำคัญที่สุด คือ ในระดับนาโน คุณสมบัติพื้นฐานของวัตถุและกลไกต่าง ๆ แตกต่างไปจากที่เราพบเห็นในระดับใหญ่ขึ้นมา ตัวอย่างเช่น สายหรือวงจรในระดับนาโนไม่จำเป็นต้องเป็นไปตามกฎของโอห์ม (Ohm’s law) สมการที่เป็นรากฐานสำคัญของ วงการอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ กฎของโอห์มเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าของ ต้นกำเนิดไฟฟ้าและความต้านทานไฟฟ้า แต่หัวใจสำคัญของกฎของโอห์ม มีพื้นฐานมาจากแนวคิดที่ว่า อิเล็กตรอนไหลผ่านไปตามสายเหมือนกระแสน้ำในแม่น้ำ แต่ในอาณาจักรนาโน อิเล็กตรอนจะไหลเช่นนั้นไม่ได้ ถ้าหากสายมีความกว้างเพียง 1 อะตอม และอิเล็กตรอนจะต้องไหลจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง คุณสมบัติพื้นฐานที่สุดของสสารทั้งทางเคมี ไฟฟ้า และฟิสิกส์ เป็นหัวใจสำคัญของศาสตร์แห่งนาโนทุกสาขา ดังนั้นในปี ค.ศ. 2001 มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (National Science Foundation) ได้ให้คำจำกัดความที่สั้นและกระชับเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติพิเศษในระดับนาโนว่า ศาสตร์และวิศวกรรมในระดับนาโนหมายถึง ความเข้าใจพื้นฐานและความก้าวหน้าด้านเทคโนโลยีที่เป็นผลมาจากการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติใหม่ ๆ ทางฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยาของระบบที่อยู่กึ่งกลางระหว่างอะตอม โมเลกุล กับวัตถุขนาดใหญ่ โดยสามารถควบคุมคุณสมบัติเหล่านั้นได้ (5)
ศาสตราจารย์ริชาร์ด ฟายน์แมน (Richard Feynman ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในปี ค.ศ. 1965) ผู้เปิดศักราชของนาโนเทคโนโลยี ได้กล่าวไว้ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1959 ในการบรรยายเรื่อง There is Plenty of Room at the Bottom ว่า "สักวันหนึ่ง เราจะสามารถประกอบสิ่งต่างๆ ผลิต สิ่งต่างๆ ขึ้นมาจากการจัดเรียงอะตอมด้วยความแม่นยำ และเท่าที่ข้าพเจ้ารู้ ไม่มีกฎทางฟิสิกส์ใดๆ แม้แต่หลักแห่งความไม่แน่นอน (Uncertainty Principle) ที่จะมาขัดขวางความเป็นไปได้นี้” ซึ่งในช่วงที่เขาบรรยายในปีนั้น วิวัฒนาการของไมโครชิพ ไมโครทรานซิสเตอร์ ยังอยู่ในระยะเริ่มแรกและโลกก็ยังไม่รู้จักไมโครคอมพิวเตอร์ด้วยซ้ำไป (4,5)
"นาโนเทคโนโลยี" กำลังกลายมาเป็นโครงการศึกษา และวิจัยในระดับชาติของหลายประเทศ เช่น ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ให้การสนับสนุนการค้นคว้าวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีด้านนาโนเทคโนโลยีมาหลายปีแล้ว โดยมีงบประมาณถึง 116 ล้านเหรียญดอลลาร์ในปี ค.ศ. 1997 และเพิ่มเป็น 260 ล้านเรียญดอลลาร์ในปี ค.ศ. 1999 แต่การตื่นตัวในเรื่องนี้เพิ่งเห็นได้ชัดเจนอย่างยิ่งเมื่อต้นปี ค.ศ. 2000 ที่ประธานาธิบดีบิล คลินตันได้ออกมากล่าวถึงความสำคัญของนาโนเทคโนโลยีด้วยตนเอง และระบุว่ารัฐบาลทุ่มทุนให้การสนับสนุนวิจัยและพัฒนาในเรื่องดังกล่าวถึง 422 ล้านเหรียญดอลลาร์ (18.5 พันล้านบาท) และจะเพิ่มอีกเป็น 519 ล้านเหรียญดอลลาร์ (กว่า 20,000 ล้านบาท) ในปี ค.ศ. 2001 ส่วนในไต้หวัน สถาบัน The Industrial Technology Research Institute (ITRI) ก็ได้จัดตั้งศูนย์วิจัยนาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology Research Center) เมื่อวันที่ 16 มกราคม ค.ศ. 2002 โดยจัดสรรเงินประเดิมสำหรับการวิจัยในเวลา 6 ปี เป็นจำนวน 300 ล้านเหรียญดอลลาร์ แนวโน้มดังกล่าวเกิดขึ้นในทำนองเดียวกันกันในวงการวิจัยของประเทศญี่ปุ่น จีน และประเทศในทวีปยุโรป โดยสหภาพยุโรปได้ทุ่มเงินกว่า 1 หมื่น 3 พันล้านยูโรในการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีด้านนาโนเทคโนโลยี ประมาณกันว่าทั่วโลกมีการใช้เงินไปในโครงการวิจัย นาโนเทคโนโลยีไปแล้วกว่า 4 พันล้านดอลลาร์ (5)
ในส่วนของรัฐบาลไทย สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติหรือ สวทช. ได้เสนอกรอบยุทธศาสตร์การพัฒนานาโนเทคโนโลยี 10 ปี (พ.ศ. 2547–2556) เข้าสู่วาระแห่งชาติให้กับคณะกรรมการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ หรือ กวทช. เพื่อพิจารณาในปลายเดือนพฤษภาคม 2547 เพื่อเสนอให้กับคณะรัฐมนตรีพิจารณาต่อไป และขณะเดียวกันมีการตั้งคณะกรรมการนโยบายนาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ โดยมี พ.ต.ท.ทักษิณ ชินวัตร นายกรัฐมนตรี เป็นประธาน
สำหรับสาระสำคัญของแผนแม่บทแบ่งเป็น 4 สาขา ได้แก่ วัสดุนาโนเทคโนโลยี (nanomaterial) นาโนเทคโนโลยีชีวภาพ (nanobiotechnology) นาโนอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์ (Nanoelectronics & photonic) การศึกษาและการพัฒนาทรัพยากรบุคคล (nanoeducation/HRD) โดยมีเป้าหมายหลักในการสร้างนักวิจัยที่มีความรู้ด้านนาโนเทคโนโลยีทั้งภาครัฐและเอกชน ไม่น้อยกว่า 2,500 คนในปี 2556 รวมทั้งสร้างบัณฑิตตั้งแต่ระดับปริญญาตรี-ปริญญาเอก ให้มีความรู้พื้นฐานด้านนาโนเทคโนโลยีอีก 6,000 คน ในปี 2556 และจัดสอนหลักสูตรนาโนเทคโนโลยีในระดับปริญญาให้ครบ 5 หลักสูตรภายใน 10 ปี โดยในปัจจุบันนี้ประเทศไทยมีผู้เชี่ยวชาญและ ผู้ศึกษาด้านเทคโนโลยีนาโนรวม 130 คน และมีห้องวิจัย 23 แห่ง ซึ่งนับว่ายังไม่เพียงพอ จึงจะใช้ศูนย์นาโนเทคโนโลยีที่เพิ่งตั้งขึ้นเมื่อเดือนสิงหาคม 2546 เป็นศูนย์กลางที่มีโครงสร้างพื้นฐานพร้อมสำหรับการเป็นแหล่งบ่มเพาะทางด้านนาโนเทคโนโลยีของประเทศไทย (11)
ในด้านธุรกิจ สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติของสหรัฐประมาณการว่า ปี 2005 คาดกันว่าตลาดสินค้าที่ผลิตด้วยนาโนเทคโนโลยีจะมีมูลค่าประมาณ 1 หมื่น 8 พันล้านดอลลาร์ ขณะที่ใน ปี 2015 สินค้าที่ผลิตด้วยนาโนเทคโนโลยีจะครอ บครองตลาดทั่วโลกคิดเป็นมูลค่าถึง 1 ล้านล้านดอลลาร์ (5)
นาโนเทคโนโลยี มี 3 สาขาหลัก (12) คือ1. นาโนเทคโนโลยีชีวภาพ (Nanobiotechnology) เป็นการประยุกต์ใช้นาโนเทคโนโลยีศาสตร์ ด้านชีวภาพ เช่น การพัฒนานาโนไบโอเซนเซอร์ หรือ หัวตรวจวัดสารชีวภาพ และสารวินิจฉัยโรคโดยใช้วัสดุชีวโมเลกุล การปรับโครงสร้างระดับโมเลกุลของยา ที่สามารถหวังผลการมุ่งทำลายชีวโมเลกุลที่เป็นเป้าหมายเฉพาะเจาะจง เช่น เซลส์มะเร็ง การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องสำอาง ในการส่งผ่านสารบำรุงเข้าชั้นใต้ผิวหนังได้ดียิ่งขึ้น เป็นต้น2. นาโนอิเล็กทรอนิกส์ (Nanoelectronics) เป็นการประยุกต์ใช้นาโนเทคโนโลยีศาสตร์ด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ (ไฮเทค) เพื่อทำให้ผลิตภัณฑ์มีคุณภาพและทำงานด้วยประสิทธิภาพสูง ตัวอย่างเช่น การพัฒนาระบบไฟฟ้าเครื่องกลซูปเบอร์จิ๋ว การผลิตเซลส์แสงอาทิตย์ การพัฒนา นาโนซิป ทำให้คอมพิวเตอร์ทำงานได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพสูง การพัฒนา High density probe storage device เป็นต้น 3. วัสดุนาโน (Nanomaterials) การประยุกต์ใช้นาโนเทคโนโลยีศาสตร์ด้านวัสดุนาโน เช่น การเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรม การพัฒนาฟิล์มพลาสติกนาโนคอมโพสิทที่มีความสามารถในการสกัดกั้นการผ่านของก๊าซบางชนิดและไอน้ำ เพื่อใช้ทำบรรจุภัณฑ์เพื่อยืดอายุความสดของผักและผลไม้และเพิ่มมูลค่าการส่งออก การผลิตผลอนุภาคนาโนมาใช้ในการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย ไวรัส หรือทำให้ไม่เปียกน้ำ เป็นต้น
ขั้นตอนที่สำคัญในการนำ “นาโนเทคโนโลยี” ไปสู่การผลิตสินค้ามีทั้งหมด 3 ขั้นตอน คือ 1. การพัฒนาการจัดการอะตอมเดี่ยว (manipulate individual atoms) 2. การพัฒนาเครื่องจักรนาโน (assemblers) เพื่อเป็นเครื่องมือในการควบคุมการจัดการอะตอม หรือโมเลกุล3. การสร้างหรือจำลองเครื่องจักรนาโน (replicators) เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์จำนวนมากเพียงพอต่อความต้องการ
นาโนเทคโนโลยีมีผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงของอุตสาหกรรมเป็นอย่างมากโดยเฉพาะอุตสาหกรรมทางการแพทย์ ในอนาคตการผ่าตัดแบบดั้งเดิม อาจเปลี่ยนไปเป็นการผ่าตัดระดับนาโน (nanosurgeons) โดยการควบคุมหุ่นยนต์นาโน (nanorobots) เข้าไปตรวจจับและทำลายเซลล์มะเร็ง หรือไวรัสที่ต้องการโดยไม่เป็นอันตรายต่อเซลล์อื่น สำหรับอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์ ผลิตภัณฑ์จะมีขนาดเล็กลง สามารถบรรจุข้อมูลได้ถึงล้านล้านล้านตัวอักษรในขนาดเท่าก้อนน้ำตาล (14)
ปัจจุบันนาโนเทคโนโลยีได้ครอบคลุม ความหมายไปถึงเทคโนโลยีที่สามารถกำหนดถึงระดับอะตอมให้มีโครงสร้างอย่างที่ต้องการได้ โดยไม่ต้องอาศัยการผ่านเป็น สารมัธยันตร์ (intermediate) ในกระบวนการผลิต จึงไม่เกิดผลพลอยได้ รวมทั้งของเสีย ยกตัวอย่างเช่น ถ้าต้องการผลิตพลาสติก กระบวนการผลิตแบบดั้งเดิม สารเคมีที่ทำปฏิกริยาจะถูกรวมเข้าด้วยกันผ่านหลากหลายขั้นตอนภายใต้สภาวะที่จำเพาะ เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ตามที่ต้องการ ซึ่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นไม่สามารถเปลี่ยนแปลงสารเคมีได้ทั้งหมดให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์เพียงอย่างเดียวได้ แต่จะมีผลิตผลพลอยได้และของเสียเกิดขึ้นควบคู่กันไปด้วย ในทางที่ต่างกัน ถ้าผลิตพลาสติกโดยใช้ นาโนเทคโนโลยี การผลิตจะกระทำได้โดยการป้อนสารซึ่งเป็นอะตอมของธาตุบริสุทธิ์ เช่น คาร์บอน, ไฮโดรเจนและออกซิเจนเข้าไป และกำหนดให้แต่ละอะตอมก่อพันธะเคมีต่อกัน ผลลัพธ์ที่ได้จะปราศจากสารมัธยันตร์ ไม่มีผลิตผลพลอยได้ และของเสียใดๆ เกิดขึ้นและสามารถสร้างผลิตภัณฑ์สุดท้ายเป็นพลาสติกตามที่ต้องการได้โดยทุกอณูของตัวทำปฏิกริยาจะกลายเป็นผลิตภัณฑ์ สุดท้ายได้ทั้งหมด (15)
ยังมีความท้าทายอีกหลายด้านที่นักวิทยาศาสตร์ด้านนาโนจะต้องเผชิญ ซึ่งถ้าหากสามารถฟันฝ่าไปได้สำเร็จ ความก้าวหน้าจะเกิดขึ้นทั้งในด้านเศรษฐกิจ สังคม การแพทย์ และคุณภาพชีวิต การสานต่อพัฒนาการทางเทคโนโลยีตามแนวทางเดิมคงดำเนินไปได้ไม่นานนัก อุปสรรคขวางกั้นเริ่มปรากฎขึ้นบ้างแล้ว และเครื่องมือที่จะช่วยให้ก้าวผ่านข้อจำกัดต่างๆ ได้แก่ นาโนเทคโนโลยี แม้บางคนจะคิดว่าความคาดหวังหลายอย่างดูจะไกลสุดเอื้อม แต่พวกเขาต่างยอมรับว่าศักยภาพอันน่ามหัศจรรย์ของนาโนเป็นสิ่งที่ไม่ควรมองข้าม (6)
นาโนเทคโนโลยีในธรรมชาติ
เมื่อพูดถึงนาโนเทคโนโลยี คนทั่วไปได้ยินแล้วอาจจะนึกภาพไม่ออกและดูเหมือนจะไม่ได้สัมผัสกับมัน แต่จริง ๆ แล้ว นาโนเทคโนโลยนั้นมีอยู่แล้วในธรรมชาติ อยู่ในสิ่งต่าง ๆ รอบตัวเรา เพียงแต่บางคนอาจจะไม่ได้สังเกตหรือไม่ได้ให้ความสนใจ ตัวอย่างนาโนเทคโนโลยีที่มีอยู่ในธรรมชาติ (16) ยกตัวอย่างเช่น
1. ตีนตุ๊กแกสัตว์เลื้อยคลานอย่างตุ๊กแกและจิ้งจกสามารถปีนกำแพงหรือเกาะติดผนังที่ราบเรียบและลื่นได้อย่างมั่นคง 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
2. ใบบัว (สารเคลือบนาโน)การที่ใบบัวมีคุณสมบัติที่เกลียดน้ำก็เพราะว่าพื้นผิวของใบบัวมีลักษณะคล้ายกับหนามขนาดเล็กจำนวนมหาศาลเรียงตัวกระจายอยู่อย่างเป็นระเบียบโดยที่หนามขนาดเล็กเหล่านี้ก็ยังจะมีปุ่มเล็กๆ ที่มีขนาดในช่วงระดับนาโนเมตรและเป็นสารที่มีคุณสมบัติคล้ายขี้ผึ้งซึ่งเกลียดน้ำเคลือบอยู่ภายนอกอีกด้วย จึงทำให้น้ำที่ตกลงมาบนใบบัวมีพื้นที่สัมผัสน้อยมาก และไม่สามารถซึมผ่านหรือกระจายตัวแผ่ขยายออกในแนวกว้างบนใบบัวได้ ดังนั้นน้ำจึงต้องม้วนตัวเป็นหยดน้ำขนาดเล็กกลิ้งไปรวมกันอยู่ที่บริเวณที่ต่ำที่สุดบนใบบัว นอกจากนี้สิ่งสกปรกทั้งหลายไม่ว่าจะเป็นผงฝุ่น เชื้อแบคทีเรีย และเชื้อรา ก็ไม่สามารถเกาะติดแน่นอยู่กับใบบัวได้เช่นเดียวกันเพราะว่ามีพื้นที่สัมผัสกับใบบัวได้แค่เพียงบริเวณปลายยอดของหนามเล็กๆ แต่ละอันเท่านั้น ดังนั้นเมื่อเวลาที่มีน้ำตกลงมาสิ่งสกปรกที่เกาะอยู่บนใบบัวก็จะหลุดติดไปกับหยดน้ำอย่างง่ายดายจึงทำให้ใบบัวสะอาดอยู่ตลอดเวลา นักวิทยาศาสตร์จึงได้นำหลักการของน้ำกลิ้งบนใบบัว (lotus effect) มาใช้ในการสังเคราะห์วัสดุชนิดใหม่เลียนแบบคุณลักษณะของใบบัว หรือการนำไปประยุกต์ใช้เป็นสีทาบ้านที่สามารถไม่เปียกน้ำและสามารถทำความสะอาดตัวเองได้ รวมไปถึงการพัฒนาเป็นเสื้อผ้ากันน้ำไร้รอยคราบสกปรก
3. เปลือกหอยเป๋าฮื้อ (นาโนเซรามิกส์) สารเคมีที่เป็นองค์ประกอบหลักของเปลืยกหอยเป๋าฮื้อคือ แคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) ซึ่งเป็นสารชนิดเดียวกันกับชอล์คเขียนกระดาน อย่างไรก็ตาม ลักษณะทางกายภาพและคุณสมบัติทางเคมีของเปลือกหอยและชอล์คมีความแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง โดยที่ชอล์คจะเปราะ หักง่าย เป็นผงฝุ่นสีขาว แต่เปลือกหอยจะมีลักษณะเป็นมันวาวและมีความแข็งแรงสูงมาก ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะการจัดเรียงตัวในระดับโมเลกุลของแคลเซียมคาร์บอเนตที่พบในชอล์คและเปลือกหอยมีความแตกต่างกันมาก โดยเมื่อใช้กล้องขยายกำลังสูงส่องดูโครงสร้างระดับโมเลกุลของเปลือกหอยเป๋าฮื้อพบว่าการจัดเรียงตัวของโมเลกุลแคลเซียมคาร์บอเนตมีลักษณะคล้ายเป็นกำแพงอิฐก่อที่เรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ โดยที่ก้อนอิฐขนาดนาโนแต่ละก้อนนี้จะเชื่อมติดกันด้วยกาวที่เป็นโปรตีนและพอลิแซคคาไรด์ จากโครงสร้างที่จัดเรียงกันอย่างเป็นระเบียบนี้จึงทำให้เปลือกหอยเป๋าฮื้อทนทานต่อแรงกระแทกมาก ยกตัวอย่างเช่น ให้ค้อนทุบไม่แตก เป็นต้น
เปลือกหอยเป๋าฮื้อ เป็นตัวอย่างที่ดีในการอธิบายคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของวัสดุต่างๆ ที่มีองค์ประกอบเป็นสารเคมีชนิดเดียวกันทุกประการแต่มีคุณสมบัติเปลี่ยนแปลงไปตามการจัดเรียงตัวของโครงสร้างในช่วงนาโน เช่น อะตอมและโมเลกุล ดังนั้นนักนาโนเทคโนโลยีจึงสามารถใช้ความรู้นี้ในการสร้างวัสดุใหม่ๆ ให้มีคุณสมบัติต่างไปจากเดิมได้
4. ผีเสื้อบางชนิด (Polyommatus sp.) สามารถดึงดูดเพศตรงข้ามหรือหลบหนีศัตรูได้โดยการเปลี่ยนสีปีก เช่นจากสีน้ำเงินไปเป็นสีน้ำตาล ซึ่งการเปลี่ยนแปลงสีปีกนี้ไม่ได้อาศัยสารมีสีชนิดต่างๆ ที่อยู่ในปีกผีเสื้อ แต่กลับอาศัยหลักการหักเหและการสะท้อนของแสงแดดที่มาตกกระทบลงบนปีก โดยถ้ามุมที่แสงตกกระทบมีความแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย สีที่ปรากฎบนปีกผีเสื้อก็จะแตกต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น ถ้าแสงแดดมาตกกระทบกับโครงสร้างที่อยู่ในปีกผีเสื้อในมุมใดมุมหนึ่งจะสะท้อนแสงสีน้ำเงินออกมา แต่ในขณะเดียวกันก็ดูดซับแสงสีอื่นๆ ไว้ทั้งหมด ทำให้เราเห็นผีเสื้อมีปีกสีน้ำเงิน เมื่อนักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องขยายกำลังสูงส่องดูปีกผีเสื้อชนิดที่สามารถเปลี่ยนสีก็พบรูพรุนที่มีขนาดในช่วงนาโนจำนวนมหาศาลเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบซึ่งทำหน้าที่เป็นเสมือนผลึกโฟโต้นิกส์ในธรรมชาติ นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังได้ตั้งสมมุติฐานว่าการเปลี่ยนสีของปีกผีเสื้อชนิดนี้ยังเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิได้อีกด้วย ซึ่งจากการค้นพบนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการสร้างผลึกโฟโต้นิกส์สังเคราะห์ที่ยืดหยุ่นได้ดีและเปลี่ยนคุณสมบัติไปตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป ซึ่งสามารถนำไปใช้ผลิตเสื้อผ้าป้องกันความร้อนที่ใช้ในทะเลทรายหรือห้วงอวกาศ
5. ใยแมงมุม (เส้นใยนาโน)แมงมุมเป็นสัตว์เพียงชนิดเดียวที่สามารถสร้างและปั่นทอเส้นใยได้ โดยที่ใยแมงมุมเป็นเส้นใยที่มีความแข็งแรงและเหนียวมาก ใยแมงมุมสามารถหยุดแมลงที่บินด้วยความเร็วสูงสุดได้โดยที่ใยแมงมุมไม่ขาด นักวิทยาศาสตร์พบว่าแมงมุมมีต่อมพิเศษที่สามารถหลั่งโปรตีนที่ละลายในน้ำได้ชนิดหนึ่งชื่อว่า ไฟโบรอิน (fibroin) โดยเมื่อแมงมุมหลั่งโปรตีนชนิดนี้ออกมาจากต่อม ดังกล่าวโปรตีนดังกล่าวจะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวไปเป็นของแข็ง หลังจากนั้นแมงมุมก็จะใช้ขาในการถักทอโปรตีนเหล่านี้เป็นเส้นใยที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งก็คือใยแมงมุมนั่นเอง บริษัทใน ต่างประเทศแห่งหนึ่งสามารถสร้างใยแมงมุมเลียนแบบแมงมุมได้โดยการตัดต่อยีนที่ควบคุมการสร้างโปรตีนไฟโบรอินจากแมงมุมแล้วนำไปใส่ไว้ในโครโมโซมของแพะ เพื่อให้นมแพะมีโปรตีนใยแมงมุม ก่อนที่จะแยกโปรตีนออกมาแล้วปั่นทอเป็นเส้นใยเพื่อใช้ในการผลิตเสื้อเกราะกันกระสุนที่แข็งแรงแต่มีน้ำหนักเบา โดยเส้นใยที่สร้างขึ้นนี้มีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กถึงห้าเท่าเมื่อมีน้ำหนักเท่ากัน นอกจากนี้ยังสามารถนำใยแมงมุมไปใช้เป็นเส้นใยผ้ารักษาแผลสดได้อีกด้วย
นอกจากตัวอย่างที่กล่าวข้างต้นแล้ว อีกตัวอย่างหนึ่งของนาโนวิศวกรรมในธรรมชาติ คือ ถ่าน กราไฟต์ และเพชร ซึ่งก็ล้วนประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน แต่มีการจัดเรียงโครงสร้างให้มีระเบียบต่างกัน จึงทำให้คุณสมบัติต่างกันอย่างชัดเจน หรือเอนไซม์ต่างๆ ที่จำเป็นต่อกระบวนการทำงานในร่างกายซึ่งเป็นโปรตีนอันประกอบด้วยหน่วยย่อยของแต่ละโมเลกุลของกรดอะมิโนต่อกันก็จัดเป็นเครื่องจักรระดับโมเลกุลที่มีประสิทธิภาพสูงเช่นกัน ประสิทธิภาพของของเล็กๆในธรรมชาตินี้ย่อมแสดงให้เห็นความสำคัญอย่างใหญ่หลวงของนาโนเทคโนโลยี และเมื่อธรรมชาติสร้างได้ ทำไมมนุษย์จะสร้างของเล็กๆ ที่มีประสิทธิภาพสูงพวกนี้บ้างไม่ได้ (5)
อ้างอิงจาก ... http://www.dmsc.moph.go.th/webroot/SamutSongkhram/km-nano.htm 13/11/08

0 ความคิดเห็น: