สาระน่ารู้ : เส้นใยนาโน (nanofiber) ตอนที่ 3

สาระน่ารู้ : เส้นใยนาโน (nanofiber) ตอนที่ 3

กลับมาอีกครั้งครั้งนี้เป็นตอนที่ 3 แล้วครับ มาดูกันเลยกับวิธีการชั้นสูงต่อไปนะครับ

4.2 อิเล็กโตรสปินนิงแบบหลอมละลาย (Melt-Electrospinning)

อิเล็กโตรสปินนิงแบบหลอมละลายเป็นการประดิษฐ์เส้นใยนาโนด้วยเทคนิคอิเล็กโต รสปินนิงจากพอลิเมอร์ที่หลอมละลายโดยไม่ใช้ตัวทำ [20-22] ดังนั้น ข้อดีของการประดิษฐ์เส้นใยนาโนแบบนี้คือเป็นกระบวนการเตรียมเส้นใยที่ง่าย กำลังการผลิตสูง ต้นทุนต่ำและช่วยลดความเสี่ยงจากการได้รับสารพิษจากตัวทำละลาย จึงเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมเป็นอย่างดี เหมาะที่จะใช้ในการเตรียมเส้นใยนาโนสำหรับประยุกต์ใช้ทางการแพทย์ อย่างไรก็ตาม อิเล็กโตรสปินนิงแบบหลอมละลายนี้มีข้อจำกัด ตรงที่เส้นใยที่เตรียมมีขนาดใหญ่และยังไม่สามารถเตรียมเส้นใยที่มีขนาดเส้น ผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 400 นาโนเมตรและมีการกระจายตัวที่แคบได้ มีการใช้อิเล็กโตรสปินนิงแบบหลอมละลายนี้ในการเตรียมเส้นใยพอลิเมอร์แล้ว หลายชนิด ได้แก่ polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyamide 12 (PA12), poly(ethylene terephthalate) (PET), polycarprolactone (PCL), polyeurethane (PU) และ poly(ethylene glycol)-block-poly(-caprolactone) [20-29] ตัวอย่างของเส้นใย polypropylene (melt flow index (MFI) = 15 cm3/10 min) ที่เส้นผ่านศูนย์กลาง 13.5  1.7 ไมโครเมตร เตรียมโดยอิเล็กโตรสปินนิงแบบหลอมละลาย โดยใช้เงื่อนไขที่อุณหภูมิ 270C อัตราการไหลของของเหลวที่ 0.05 มิลลิลิตร/ชั่วโมง และระยะห่างระหว่างตัวรองรับกับปลายเข็ม 4 เซนติเมตร (รูปที่ 12) [25]

รูปที่ 12 เส้นใย polypropylene (melt flow index (MFI) = 15 cm3/10 min) ที่เตรียมโดยเมลท์-อิเล็กโตรสปินนิง โดยใช้เงื่อนไขที่อุณหภูมิ 270 C อัตราการไหลของของเหลวที่ 0.05 มิลลิลิตร/ชั่วโมง และระยะห่างระหว่างตัวรองรับกับปลายเข็ม 4 เซนติเมตร [9]

การลดขนาดและเพิ่มประสิทธิภาพของเส้นใย สามารถทำได้โดยใช้อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน ร่วมกับอิเล็กโตรสปินนิงแบบหลอมละลาย ซึ่งในที่นี้เรียกว่า อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนหลอมละลาย (coaxial melt-electrospinning, Coax-Melt-ES) ตัวอย่างของเส้นใยผสมของ poly(phenylene sulfide) (PSS) (แกนใน) และ polyethylene (เปลือกนอก) เตรียมโดยวิธีนี้ [17] แสดงในรูปที่ 13 เส้นผ่านศูนย์กลางของแกนในและเปลือกนอกมีขนาด ~ 1 และ 15 ไมโครเมตร ตามลำดับ

 

รูปที่ 13 เส้นใยผสมของ poly(phenylene sulfide) (PSS) (แกนใน) และ polyethylene (เปลือกนอก) เตรียมโดยอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนหลอมละลาย เส้นผ่านศูนย์กลางของแกนในและเปลือกนอกมีขนาด ~ 1 และ 15 ไมโครเมตร ตามลำดับ [9]

รูปที่ 14 แผนภาพการจัดระบบ อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนหลอมละลายสำหรับเตรียมเส้นใยผสมของ TiO2-PVP บรรจุสารไฮโดรคาร์บอนของวัสดุที่เปลี่ยนเฟสได้ (แกนใน) [30]

        McCann และคณะ [30] ได้พัฒนาและประยุกต์ใช้ระบบอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนหลอมละลาย (รูปที่ 14) สำหรับเตรียมเส้นใยนาโนของวัสดุที่เปลี่ยนเฟสได้ (phase change material, PCM) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีจุดหลอมเหลวใกล้เคียงกับอุณหภูมิที่ต้องการเพื่อให้ความ ร้อนของการหลอมสามารถป้องกันการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในสิ่งแวดล้อมได้ [31] โดยทั่วไปเส้นใยนาโนของวัสดุที่เปลี่ยนเฟสได้นี้ประกอบด้วยสายโซ่ยาวของสาร ไฮโดรคาร์บอน (แกนใน) และคอมโพสิต (เปลือกนอก) เส้นใยของวัสดุแบบนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลายด้าน ทั้งนี้โดยอาศัยการมีความร้อนของการหลอมที่มากบวกกับการเป็นสารไฮโดรคาร์บอน แบบสายโซ่ยาว ทำให้มันสามารถดูดซับ กัก และปลดปล่อยพลังงานความร้อนปริมาณมากในช่วงอุณหภูมิที่แน่นอนได้ รูปที่ 15 แสดงเส้นใยนาโนผสมของ TiO2-PVP บรรจุสาร octadecane (แกนใน) ในกระบวนการอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนหลอมละลายนี้ octadecane ถูกทำให้ร้อนที่อุณหภูมิ 68 C ก่อนที่จะถูกฉีดออกมาด้วยอัตรา 0.2 มิลลิลิตร/ชั่วโมง ในขณะที่ TiO2-PVP (เปลือกนอก) ถูกฉีดออกมาด้วยอัตรา 0.7 มิลลิลิตร/ชั่วโมง รูปที่ 15 (ก)แสดงภาพถ่าย SEM ของเส้นใยที่เตรียมได้ รูปที่ 15 (ข) แสดงภาพถ่าย TEM ของเส้นใยขนาดประมาณ 150 นาโนเมตรปราศจากปุ่มคล้ายลูกปัดที่เตรียมได้หลังจากแช่เส้นใยในรูปที่ 15 (ก) ในเฮกเซนเป็นเวลา 24 ชั่วโมง เพื่อกำจัดเอาสารไฮโดรคาร์บอนออกไปจากเส้นใย ภาพถ่าย TEM แสดงให้เห็นว่า octadecane แตกออกเป็นหยดทรงกลมเล็กๆ (spherical droplet) อยู่ภายในส่วนแกนในของเส้นใยแต่ละเส้น ผลการทดลองโดยใช้เทคนิคdifferential scanning calorimetry (DSC) ชี้ให้เห็นว่า เส้นใยเหล่านี้ประกอบด้วย octadecane ประมาณ 7% โดยน้ำหนัก รูปที่ 15 (ค) แสดงภาพถ่าย SEM ของเส้นใยที่เตรียมได้โดยใช้อัตราการไหลของของเหลวเพิ่มขึ้นเป็น 0.7 มิลลิลิตร/ชั่วโมง และ 0.3 มิลลิลิตร/ชั่วโมง สำหรับ TiO2-PVP และ octadecane ตามลำดับ เส้นใยเหล่านี้ประกอบด้วย octadecane ประมาณ 45% โดยน้ำหนัก ภาพถ่าย TEM ในรูปที่ 15 (ง) แสดงให้เห็นว่า octadecane รวมกันเป็นโดเมนยืดออกตามแกนของเส้นใย แตกออกเป็นหยดทรงกลมเล็กๆ อยู่ภายในส่วนแกนในของเส้นใยแต่ละเส้น การแตกออกจากกันของ octadecane อยู่ภายในส่วนแกนในของเส้นใยแต่ละเส้นเกิดจากการที่ octadecane มีความหนืดต่ำนั่นเอง

 

รูปที่ 15 (ก) ภาพถ่าย SEM ของเส้นใยที่เตรียมได้ (ข) ภาพถ่าย TEM ของเส้นใยขนาดประมาณ 150 นาโนเมตร ปราศจากก้อนบีดส์ (beads) ที่เตรียมได้หลังจากแช่เส้นใยในรูปที่ 16 (ก) ในเฮกเซนเป็นเวลา 24 ชั่วโมง เพื่อกำจัดเอาสารไฮโดรคาร์บอนออกไปจากเส้นใย (ค) ภาพถ่าย SEM ของเส้นใยที่เตรียมได้โดยใช้อัตราการไหลของของเหลวเพิ่มขึ้นเป็น 0.7 มิลลิลิตร/ชั่วโมง และ 0.3 มิลลิลิตร/ชั่วโมง สำหรับ TiO2-PVP และ octadecane ตามลำดับ (ง) ภาพถ่าย TEM แสดงให้เห็นว่า octadecane รวมกันเป็นโดเมนยืดออกตามแกนของเส้นใย [30]

รูปที่ 16 (ก) แสดงภาพถ่าย SEM ของเส้นใยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100 นาโนเมตรของ TiO2-PVP ที่บรรจุ hexadecane (จุดหลอมเหลว = 16-17 C) เทคนิค DSC ชี้ให้เห็นว่า เส้นใยเหล่านี้ประกอบด้วย octadecane ประมาณ 31% โดยน้ำหนัก รูปที่ 16 (ข) แสดงภาพถ่าย TEM ของเส้นใยที่เตรียมได้หลังจากแช่เส้นใยในรูปที่ 16 (ก) ในเฮกเซนเป็นเวลา 24 ชั่วโมง เพื่อกำจัดเอาสารไฮโดรคาร์บอนออกไปจากเส้นใย ภาพถ่าย TEM แสดงให้เห็นว่า hexadecane แตกออกเป็นหยดทรงกลมเล็กๆ อยู่ภายในส่วนแกนในของเส้นใยแต่ละเส้นเช่นเดียวกันกับในกรณีของ octadecane ในรูปที่ 15 รูปที่ 16 (ค) แสดงภาพถ่าย SEM ของเส้นใย TiO2-PVP ที่บรรจุ eicosane (จุดหลอมเหลว = 35-37 C) โดยเส้นใยเหล่านี้ประกอบด้วย eicosane ประมาณ 36% โดยน้ำหนัก และรูปที่ 16 (ง) แสดงภาพถ่าย TEM ของเส้นใยที่เตรียมได้หลังจากแช่เส้นใยในรูปที่ 16 (ค) ในเฮกเซนเป็นเวลา 24 ชั่วโมง เพื่อกำจัดเอาสารไฮโดรคาร์บอนออกไปจากเส้นใย ภาพถ่าย TEM แสดงให้เห็นว่า hexadecane แตกออกเป็นหยดทรงกลมเล็กๆ อยู่ภายในส่วนแกนในของเส้นใยแต่ละเส้นเช่นเดียวกันกับในกรณีของ octadecane เช่นเดียวกันกับในกรณีของ octadecane และ hexadecane ในรูปที่ 15 ให้สังเกตว่าจุดหลอมเหลวของ eicosane ใกล้เคียงกับอุณหภูมิปกติของร่างกายของคนเรามาก ดังนั้น วัสดุนี้จึงเหมาะมากสำหรับการประยุกต์ใช้เป็นวัสดุที่เปลี่ยนเฟสได้โดยเฉพาะ ที่เกี่ยวข้องกับสิ่งทอฉลาดที่มีประสิทธิภาพสูงในการควบคุม/ปรับอุณหภูมิของ ระบบได้
จากที่ผ่านมาจะเห็นว่า อิเล็กโตรสปินนิงแบบแกนร่วมหลอมละลายหรือโคแอคเซียล-เมลท์-อิเล็กโตรสปินนิง เป็นเทคนิคที่น่าสนใจเป็นอย่างมาก และมีประโยชน์ในการหุ้มสารของแข็งให้บรรจุอยู่ในเส้นใยนาโนได้ สามารถเตรียมได้หลากหลายรูปแบบและคาดว่าจะมีการพัฒนาเพื่อประยุกต์ใช้เตรียม เส้นใยนาโนหน้าที่พิเศษได้อย่างหลากหลายในอนาคต

 

รูปที่ 16 (ก) ภาพถ่าย SEM ของเส้นใยของ TiO2-PVP ที่บรรจุ hexadecane (จุดหลอมเหลว = 16-17 C) (ข) ภาพถ่าย TEM ของเส้นใยที่เตรียมได้หลังจากแช่เส้นใยในรูปที่ 17(ก) ในเฮกเซน 24 ชั่วโมง (ค) ภาพถ่าย SEM ของเส้นใย TiO2-PVP ที่บรรจุ eicosane (จุดหลอมเหลว = 35-37 C) โดยเส้นใยเหล่านี้ประกอบด้วย eicosane ประมาณ 36% โดยน้ำหนัก และ (ง) ภาพถ่าย TEM ของเส้นใยที่เตรียมได้หลังจากแช่เส้นใยในรูปที่ 16 (ค) ในเฮกเซน 24 ชั่วโมง [30]

4.3 อิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้ (Near-Field Electrospinning)

เทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้ มีการรายงานขึ้นเป็นครั้งแรกโดย Sun และคณะ [32] แห่งมหาวิทยาลัย Xiamen ประเทศจีน งานวิจัยนี้เป็นการค้นพบนวัตกรรมใหม่ระดับ breakthrough ของการวิจัยทางด้านอิเล็กโตรสปินนิงเพื่อประดิษฐ์เส้นใยนาโนของแข็งในรูปแบบ ที่สามารถกระทำ/เขียนเป็นเส้นได้โดยตรง โดยที่เส้นใยมีความต่อเนื่อง และสามารถควบคุมการเกิด/จัดเรียงตัวของเส้นใยนาโนได้อย่างแม่นยำ เทคนิคนี้แตกต่างจากเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบมาตรฐาน (ดั้งเดิม) ซึ่งเป็นกระบวนการที่เส้นใยนาโนเกิดขึ้นแบบสุ่มและไม่เป็นระเบียบ เทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้แสดงเป็นแผนภาพดังในรูปที่ 17
ในกระบวนการอิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้ ปลายของเข็มทังสเตนตัน (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 25 ไมโครเมตร) ถูกใช้เป็นอิเล็กโตรดและจุ่มลงไปในสารละลายพอลิเมอร์เพื่อให้เกิดหยดของสาร ละลายพอลิเมอร์ติดอยู่ที่ปลายของทังสเตนซึ่งเชื่อมกับส่วนของแหล่งกำเนิด ศักย์ไฟฟ้ากำลังสูง (รูปที่ 17(ก)) เมื่อให้ศักย์ไฟฟ้ากำลังสูงที่ปลายของทังสเตน (รูปที่ 17(ข)) ซึ่งมีหยดของสารละลายพอลิเมอร์ติดอยู่ (รูปที่ 17(ค)) พบว่า หากสนามไฟฟ้ามีค่ามากพอที่จะทำให้เกิดแรงผลักมากกว่าแรงตึงผิว จะส่งผลให้รูปร่างครึ่งทรงกลมของสารละลายที่อยู่ปลายทังสเตนยืดออกเป็นรูป ร่างทรงกรวย เรียกว่า กรวยของเทเลอร์ และเมื่อสนามไฟฟ้าที่ให้กับระบบมีค่าเพิ่มสูงขึ้นจนกระทั่งถึงค่าวิกฤตค่า หนึ่งจะเกิดแรงขับดันให้สารละลายพอลิเมอร์พุ่งออกมาเป็นลำ ต่อมาลำของสารละลายนี้จะยืดออกจนมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลงถึงระดับนาโน เมตร แล้วตกลงบนวัสดุรองรับที่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็วซึ่งจะทำให้ได้ เส้นใยที่มีความต่อเนื่อง และสามารถควบคุมการเกิด/จัดเรียงตัวของเส้นใยนาโนได้อย่างแม่นยำ จะเห็นว่ากระบวนการที่เกิดขึ้นจะมีความคล้ายกับเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบ ดั้งเดิมดังที่ได้กล่าวมาแล้วในตอนแรก ต่างกันที่แผ่นรองรับจะอยู่ใกล้ปลายเข็มมากจึงสามารถใช้ศักย์ไฟฟ้ากำลังต่ำ ขนาดประมาณ 600 โวลต์ เท่านั้น ซึ่งต่างจากเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบดั้งเดิมที่ต้องใช้ศักย์ไฟฟ้ากำลังสูง ขนาด 10-50 กิโลโวลต์ ในกระบวนการประดิษฐ์เส้นใย

 

รูปที่ 17 แผนภาพแสดงเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้ [32]

 

รูปที่ 18 เส้นใย polyethylene oxide, PEO (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 300 นาโนเมตร) ประดิษฐ์ด้วยเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้ โดยเส้นใยรองรับบนแผ่นซิลิกอนและระบบรองรับเส้นใยเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว แตกต่างกัน: (ก) 5 เซนติเมตร/วินาที (ข) 10 เซนติเมตร/วินาที (ค) 15 เซนติเมตร/วินาที (ก) 20 เซนติเมตร/วินาที และ (ง) 25 เซนติเมตร/วินาที โดยใช้ระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรดกับแผ่นรองรับเท่ากับ 1 มิลลิเมตร ศักย์ไฟฟ้ากำลังต่ำขนาด 1000 V และสารละลาย PEO ความเข้มข้น 5 wt % [32]

รูปที่ 18 แสดงตัวอย่างของการใช้เทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้ในการประดิษฐ์เส้น ใยของ polyethylene oxide, PEO (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 300 นาโนเมตร) ลงบนแผ่นซิลิกอนโดยระบบรองรับเส้นใยเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วแตกต่างกันที่ 5 เซนติเมตร/วินาที (รูปที่ 18(ก) ) 10 เซนติเมตร/วินาที (รูปที่ 18(ข) ) 15 เซนติเมตร/วินาที (รูปที่ 18(ค) ) 20 เซนติเมตร/วินาที (รูปที่ 18(ง) ) และ 25 เซนติเมตร/วินาที (รูปที่ 18(จ)) จะเห็นว่า เส้นใยจะมีลักษณะเป็นเส้นตรงมากขึ้นเมื่ออัตราเร็วของระบบรองรับเส้นใยสูง ขึ้น รูปที่ 19 สาธิตการควบคุมการเกิด/จัดเรียงตัวของเส้นใยนาโน PEO ประดิษฐ์ด้วยเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้ โดยในรูปที่ 19(ก) เมื่อแผ่นรองรับอยู่นิ่งและใช้เวลาของการสปิน 5 วินาที พบว่าเกิดเส้นใยแบบขดซ้อนทับรอบจุดแผ่ออกไปเป็นวงเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 ไมโครเมตร รูปที่ 19(ข) เมื่อครอบแผ่นรองรับด้วยชั้นฉนวนของซิลิกอน ไดออกไซด์หรือซิลิกา (SiO2) พบว่าเกิดเส้นใยแบบขดซ้อนทับรอบจุดแผ่ออกไปเป็นวงแหวนรีร่วมศูนย์กลางโดยมี เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 300 ไมโครเมตร รูปที่ 19(ค) สาธิตการเขียนเป็นสัญลักษณ์รูปตัว U และ รูปที่ 19(ง) สาธิตการเขียนอักษรคำว่า Cal โดยเวลาของการสปิน 3 วินาที [32]

ในกระบวนการอิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้ตัวแปรที่สำคัญนอกเหนือจากการควบ คุมการเคลื่อนที่ของระบบรองรับเส้นใยแล้วจะต้องพิจารณาถึงขนาดศักย์ไฟฟ้าที่ ใช้และระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรดกับแผ่นรองรับ จากผลการศึกษาขนาดศักย์ไฟฟ้าต่ำสุดที่ใช้และระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรดกับ แผ่นรองรับในพอลิเมอร์ที่มีความเข้มข้นต่างกัน รวมถึงผลของการใช้แผ่นรองรับที่ต่างกัน พบว่าขนาดศักย์ไฟฟ้าต่ำสุดที่ต้องใช้ในกระบวนการอิเล็กโตรสปินนิงแบบสนาม ใกล้เพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรดกับแผ่นรองรับหรือเพิ่ม ความเข้มข้นของพอลิเมอร์ ตัวอย่างเช่น PEO พอลิเมอร์ที่มีความเข้มข้น 3 wt% และ 5 wt% จะต้องใช้สนามไฟฟ้าประมาณ 5 x 107 โวลต์/เมตร และ 7 x 107 โวลต์/เมตร ตามลำดับ นอกจากนี้เมื่อให้ระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรดกับแผ่นรองรับคงที่เท่ากับ 500 ไมโครเมตร แล้ว PEO พอลิเมอร์ที่มีความเข้มข้น 3 wt % จะเกิดเส้นใยนาโนที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ไม่เท่ากัน โดยที่เกิดเส้นใยนาโนที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับ 150-300 นาโนเมตร เมื่อเตรียมบนซิลิกอน และ 50-200 นาโนเมตร เมื่อเตรียมบนซิลิกา
จากที่กล่าวมาทั้งหมดข้างต้นพบว่าเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้นี้สามารถถูกพัฒนาเพื่อใช้งานใน 3 ด้านหลักๆ คือ
1. ประยุกต์ใช้ได้กับอุปกรณ์ที่ต้องการความแม่นยำในการเกิด/จัดเรียงตัวของเส้น ใยนาโน เช่น การสร้างเครื่องตรวจวัดระดับนาโน (nanosensor) สำหรับการตรวจวัดทางชีวภาพ เช่น การตรวจกลูโคส เป็นต้น
2. ใช้สร้างเส้นใยนาโนแบบไม่ได้ถักทอที่มีรูปแบบการเรียงตัวที่แน่นอน เช่น แผ่นโครงร่างสำหรับเซลล์สิ่งมีชีวิต
3. มีศักยภาพในการนำมาใช้เป็นระบบ Nanolithography สำหรับทำไมโครชิป (micro chip) รุ่นใหม่ทดแทนระบบ lithography แบบดั้งเดิมที่มีระบบการใช้งานที่ซับซ้อนและมีราคาแพงมาก

 

รูปที่ 19 เส้นใย polyethylene oxide, PEO ประดิษฐ์ด้วยเทคนิคอิเล็กโตร สปินนิงแบบสนามใกล้ (ก) เมื่อแผ่นรองรับอยู่นิ่งและเวลาของการสปิน 5 วินาทีจะเกิดเส้นใยแบบขดซ้อนทับรอบจุดแผ่ออกไปเป็นวงเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 ไมโครเมตร (ข) เมื่อครอบแผ่นรองรับด้วยชั้นฉนวนของ ซิลิกา จะ เกิดเส้นใยแบบขดซ้อนทับรอบจุดแผ่ออกไปเป็นวงแหวนรีร่วมศูนย์กลางโดยมีเส้น ผ่านศูนย์กลางประมาณ 300 ไมโครเมตร (ค) สาธิตการเขียนเป็นสัญลักษณ์รูปตัว U (ง) สาธิตการเขียนอักษรคำว่า Cal โดยเวลาของการสปิน 3 วินาที [32]

รู้สึกว่าจะยาวไปแล้วตอนนี้ ติดตามตอนต่อไปแล้วกันน่ะครับกับอิเล็กโตรสปินนิงครับ

สาระน่ารู้ : เส้นใยนาโน (nanofiber) ตอนที่ 2

สาระน่ารู้ : เส้นใยนาโน (nanofiber) ตอนที่ 2

สาระน่ารู้เกี่ยวกับ เส้นใยนาโน

กลับมาอีกครั้งน่ะครับ ครั้งนี้จะมาต่อกันเลยจากครั้งที่แล้ว
เส้นใยที่ประดิษฐ์ได้มีลักษณะหลายรูปแบบ และมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตลอดจนความต่อเนื่องของเส้นใยแตกต่างกันออกไป ทั้งนี้ขึ้นกับปัจจัยต่างๆ ซึ่งสามารถแบ่งตัวแปรสำคัญที่ทำให้เกิดผลกระทบต่อลักษณะเส้นใยได้เป็น 3 กลุ่ม [5] คือ
1) ตัวแปรด้านสารละลาย สมบัติของสารละลายเป็น ตัวแปรที่ส่งผลต่อการประดิษฐ์เส้นใยนาโนอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งขนาดและรูปร่างของเส้นใย เช่น ความตึงผิวของสารละลายจะส่งผลต่อการเกิดปุ่มคล้ายลูกปัด (beads) ซึ่งมีลักษณะเป็นก้อนทรงกลมหรือรีอยู่บนเส้นใย หากความเข้มข้นของสารละลายมีค่าสูงจะมีผลทำให้ปริมาณปุ่มคล้ายลูกปัดลดลง ดังตัวอย่างการประดิษฐ์เส้นใยนาโนจากสารละลาย PAN/DMF สำหรับนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมเส้นใยนาโนคาร์บอน (carbon nanofiber) และระบบกรองอย่างละเอียด ของกลุ่มวิจัย SSMG ในรูปที่ 4
2) ตัวแปรในระบบ เป็นปัจจัยที่สำคัญมากอีกกลุ่มหนึ่งประกอบด้วย ความต่างศักย์ไฟฟ้า อัตราการไหลของสารละลาย อุณหภูมิของสารละลาย ชนิดของวัสดุรองรับ ระยะห่างระหว่างปลายเข็มกับวัสดุรองรับ และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเข็มโลหะ ตัวแปรเหล่านี้ล้วนมีผลต่อลักษณะของเส้นใยโดยเฉพาะความต่างศักย์ไฟฟ้าซึ่ง ส่วนใหญ่หากศักย์ไฟฟ้าที่ให้แก่ระบบมีค่ามากจะส่งผลให้ขนาดของเส้นใยเล็กลง ดังในรูปที่ 5 จะเห็นว่า ที่ความเข้มข้นเดียวกันขนาดของเส้นใยจากสารละลาย PAN/DMF จะลดลงเมื่อความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงขึ้น
3) สภาพแวดล้อม สภาพแวดล้อมมีผลต่อสารละลายและทำให้ลักษณะของเส้นใยเปลี่ยนไป เช่นในกรณีที่มีความชื้นในระบบสูงจะเกิดปรากฏการณ์คล้ายกับมีการควบแน่นเป็น หยดน้ำบนผิวของเส้นใย ทำให้เกิดรูพรุนบนเส้นใยในปริมาณมากขึ้น

 

รูปที่ 4 เส้นใยนาโนของ polyacrylonitrile (PAN) ละลายใน dimethylformamide (DMF) (ก) ความเข้มข้น 6% และ(ข) 10% แสดงให้เห็นว่าปริมาณปุ่มคล้ายลูกปัดลดลงเมื่อสารละลายมีความเข้มข้นสูงขึ้น

 

รูปที่ 5 ขนาดของเส้นใยที่ค่าความเข้มข้นต่างๆ ของสารละลายพอลิเมอร์ PAN/DMF เมื่อใช้ความต่างศักย์ 5, 10 และ15 kV
ดังนั้นการนำวิธีอิเล็กโตรสปินนิงมาใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนต้องคำนึงถึง ปัจจัยที่เกี่ยวข้องทั้งหมด เพื่อให้ได้เส้นใยที่เหมาะสมต่อการนำไปประยุกต์ใช้ ซึ่งหากมีระบบที่ควบคุมปัจจัยต่างๆ เหล่านี้ได้อย่างสะดวกและแม่นยำจะส่งผลให้การประดิษฐ์เส้นใยมีประสิทธิภาพ สูงขึ้น

4. ระบบอิเล็กโตรสปินนิงขั้นสูง
    การพัฒนาระบบอิเล็กโตรสปินนิงที่มีความซับซ้อนมากขึ้นหรืออิเล็กโตรสปินนิง ขั้นสูงนี้มีความสำคัญและกำลังได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก เนื่องจากเป็นหัวข้อวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิงที่มีผลกระทบและมีคุณค่าทาง วิชาการทั้งในปัจจุบันและในอนาคตอันใกล้นี้
ระบบอิเล็กโตรสปินนิงขั้นสูงนี้ได้แก่ อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน (coaxial-electrospinning, Coax-ES) อิเล็กโตรสปินนิงแบบหลอมละลาย (melt-electrospinning, Melt-ES) อิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้ (near-filed electrospinning, NF-ES) และอิเล็กโตรสปินนิงแบบใช้สนามแม่เหล็กร่วม (magneto-electrospinning, Magneto-ES)
4.1 อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน (Coaxial-Electronspinning)
ในการทำให้เส้นใยนาโนมีหน้าที่หรือสมบัติพิเศษเฉพาะตัว (functionalization) โดยการรวมเอาโมเลกุล สาร วัตถุหรือส่วนประกอบอื่น (โดยเฉพาะในด้านเทคโนโลยีเซนเซอร์ วิศวกรรมเนื้อเยื่อ การนำส่งยา และนาโนอิเล็กโทรนิกส์) เข้ากับเส้นใยนาโน ในหลายกรณีไม่สามารถทำโดยการใช้เทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงอย่างง่าย ทั้งนี้เนื่องจากมีปัญหาที่สำคัญอยู่ 2 ประการ คือ หนึ่ง ปัญหาความต้องการในการเก็บสารที่อยู่ร่วมกับเส้นใยนาโน (เช่น โมเลกุลชีวภาพ ได้แก่ เอนไซม์ โปรตีน ยา ไวรัส และแบคทีเรีย) ในสภาวะแวดล้อมของเหลว เพื่อที่จะคงสภาพหน้าที่หรือสมบัติเดิมของมันนั้นทำได้ยาก สอง ปัญหาเรื่องน้ำหนักโมเลกุลของวัสดุที่จะใช้เป็นส่วนแกนในของเส้นใย (core fiber) ซึ่งส่วนมากจะมีน้ำหนักโมเลกุลต่ำมาก ทำให้การทำเส้นใยโดยเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงเป็นไปได้ยาก อย่างไรก็ตามปัญหาทั้งสองข้อนี้สามารถแก้ไขได้ด้วยการใช้เทคนิค “อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน” ซึ่งในปัจจุบันได้เริ่มมีการศึกษาและรายงานการวิจัยทางด้านนี้แล้วจาก หลายกลุ่มวิจัย [6-16]

รูปที่ 6 (ซ้าย) แผนภาพการจัดระบบหัวฉีดสำหรับอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน และ (ขวา) ระบบหัวฉีดสำหรับใช้ในห้องปฏิบัติการ [17]
อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนใช้หัวฉีด (nozzle) ที่มีแกนขนานร่วมกันซ้อนกันอยู่สองอัน (รูปที่ 6) ค่าศักย์ไฟฟ้าที่ให้กับทั้งสองหัวฉีดมีขนาดเท่ากัน และทำให้เกิดการหลอมหยดของสารประกอบ ลำของพอลิเมอร์ถูกขับให้พุ่งออกมาจากปลายหลอมของหยดของสารประกอบ และเกิดเป็นเส้นใยนาโนผสมแบบแกนใน-เปลือกนอก (core-shell nanofiber) เมื่อพิจารณาอย่างละเอียด จะพบว่า อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนมี กระบวนการทางกายภาพที่ซับซ้อน และยังมีการทดลองและการใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์มาอธิบายค่อนข้างน้อย [13] ปัญหาที่สำคัญที่พบบ่อยในระหว่างการเกิดเส้นใยนาโนผสมแบบแกนใน-เปลือกนอก คือการที่หยดด้านนอก (outer droplet) สามารถถูกเปลี่ยนเป็นลำได้ ในขณะที่หยดด้านใน (inner droplet) ไม่สามารถถูกเปลี่ยนเป็นลำได้ (รูปที่ 7 ซ้าย) ที่เป็นเช่นนี้ เพระว่าที่หยดด้านในไม่มีประจุที่ผิวจากแรงไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้น การเปลี่ยนรูปของหยดด้านนอกให้เป็นแกนในของเส้นใยเกิดจากแรงหนืด (viscous force) เพียงอย่างเดียว โดยหลักการแล้ว แรงหนืดสามารถหาได้จากการจำลองแบบทางคณิตศาสตร์ซึ่งจะทำให้สามารถหาเงื่อนไข ทั่วไปสำหรับการทดลองได้ง่ายยิ่งขึ้น
ในกรณีที่มีการเลือกใช้ตัวแปรและเงื่อนใขการทดลองที่เหมาะสม อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนสามารถใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนผสมแบบแกนใน-เปลือก นอกของวัสดุหลากหลายชนิดได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น เส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ Polyvinylidene fluoride (PVDF) (แกนใน) และ polycarbonate (PC) (เปลือกนอก) ดังแสดงในรูปที่ 7 เป็นต้น [13] Han และคณะ [15] ได้ใช้เทคนิคนี้โดยจัดระบบอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน ดังแสดงในรูปที่ 8 (ก) เพื่อเตรียมเส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ polyurethane (PU) (แกนใน, เส้นผ่านศูนย์กลาง ~ 168 นาโนเมตร) และ polycarbonate (PC) (เปลือกนอก, เส้นผ่านศูนย์กลาง ~ 316 นาโนเมตร) ซึ่งเส้นใยที่ได้มีลักษณะแสดงดังในรูปที่ 8 (ข)

 

รูปที่ 7 (ซ้าย) ภาพจากกล้องจุลทรรศน์เชิงแสงของหยดผสมแบบแกนใน-เปลือกที่หัวฉีดของอิเล็กโต รสปินนิงแบบร่วมแกน และ (ขวา) ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของเส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ Polyvinylidene fluoride (PVDF) (แกนใน) และ polycarbonate (PC) (เปลือกนอก) [13]
อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนไม่เพียงแต่ใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนผสมแบบแกน ใน-เปลือกนอกที่มีแกนในที่ต่อเนื่องท่านั้น ยังสามารถใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนที่มีลักษณะเป็นก้อนรูปหยดที่ต่อเนื่องอยู่ ภายในเปลือกนอกต่อเนื่องได้อีกด้วย รูปร่างเช่นนี้เป็นที่สนใจเป็นอย่างมากสำหรับก้อนรูปหยดที่เป็นสารทางชีวภาพ เช่นโปรตีนเรืองแสงสีเขียว (green fluorescent protein, GFP) ที่ใช้ในสิ่งแวดล้อมที่เป็นของเหลว หรือสำหรับเป็นสารบรรจุและควบคุมการปล่อยยา ข้อดีของอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนในกรณีนี้ คือ หยดด้านในจะไม่ถูกทำให้มีประจุเนื่องจากแรงทางไฟฟ้าสถิต และแรงเชิงกลจะมีผลต่อการเกิดเส้นใยน้อยมากและยังสามารถคำนวณได้อย่างถูก ต้องอีกด้วย

 

รูปที่ 8 (ก) การจัดระบบสำหรับอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนสำหรับใช้เตรียมเสันใยผสมแบบแกน ใน-เปลือกนอกของ polyurethane (PU) (แกนใน) และ polycarbonate (PC) (เปลือกนอก) และ (ข) ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) ของเส้นใยที่ได้โดยเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนในและเปลือกนอกมีขนาด ~ 168 และ 316 นาโนเมตร ตามลำดับ [18]
นอกจากนี้ อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนยังสามารถใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนแกนใน-เปลือกนอก แบบกลวงได้ ในกรณีนี้ต้องเลือกใช้ตัวทำละลายที่เหมาะสม โดยหลังจากการเกิดเส้นใยแบบแกนใน-เปลือกนอกแล้ว นำเส้นใยมาใส่ในสารละลายที่ละลายเฉพาะสารพอลิเมอร์แกนในออกเท่านั้น จะทำให้ได้เส้นใยนาโนแกนใน-เปลือกนอกแบบกลวงตามต้องการ โดยวิธีการเช่นนี้ Li และคณะ [11] ได้ เตรียมเส้นใยนาโนเซรามิกกลวงของ TiO2 โดยใช้ mineral oil เป็นแกนในและสารละลาย polyvinylpyrrolidone/ Ti(OiPr)4/ethanol เป็นเปลือกนอก และทำการแคลไซน์หลังจากการกำจัดน้ำมันออก (รูปที่ 9)

 

รูปที่ 9 (ก) แผนภาพการจัดระบบอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนสำหรับเตรียมเส้นใยนาโนแบบกลวง ของ TiO2 (ข) ภาพถ่าย TEM ของเส้นใยนาโน mineral oil (แกนใน) และpolyvinylpyrrolidone/Ti(OiPr)4/ethanol (เปลือกนอก) ภายหลังจากที่ mineral oil ถูกกำจัดออกโดยใช้ออคเทน (octane) (ค) ภาพถ่าย TEM และ (ง) ภาพถ่าย SEM ของเส้นใยนาโนเซรามิกกลวงของ TiO2 ซึ่งได้จากการเผาแคลไซน์เส้นใยใน (ข) ที่ 500 C ในอากาศเป็นเวลา 3 ชั่วโมง [9]

 

รูปที่ 10 (ก) ภาพถ่ายด้วยเทคนิคฟลูออเรสเซนต์แสดงการเจือแกนของน้ำมันด้วย amphiphilic fluorescent dye สำหรับเส้นใยนาโนแบบกลวงของ TiO2 บรรจุด้วย fluorescent dye (ข) ภาพถ่าย TEM ของเส้นใยนาโนแบบกลวงของ TiO2 บรรจุด้วยอนุภาคนาโนเหล็กออกไซด์เคลือบอยู่ที่ผิวด้านใน (ค) ภาพถ่าย SEM ของเส้นใยนาโนแบบกลวงของ TiO2 ที่ปรับสมบัติของผิวด้านในด้วย methyl-terminated silane และตามด้วยการปรับผิวด้านนอกด้วย amino-terminated silane เมื่อจุ่มลงในสารละลายของทองคำ อนุภาคนาโนของทองคำจะเลือกเกาะติดเฉพาะที่ผิวด้านนอกของ TiO2 (ง) เช่นเดียวกับใน (ค) แต่ปรับสมบัติของทั้งผิวด้านนอกและด้านในด้วย amino-terminated silane เพื่อให้อนุภาคนาโนของทองคำเกาะติดที่ผิวทั้งสองด้าน [18]
การประยุกต์ใช้เส้นใยนาโนแบบกลวงในบางกรณี เช่น เส้นใยนาโนสำหรับเป็นตัวสนับสนุนสารเร่งปฏิกริยา (catalyst support) ออปติคอลเวฟไกด์ (optical wavegides) และอุปกรณ์ด้านนาโนฟลูอิดิค (nanofluidic device) การรวมเอาสารหรือโมเลกุลอื่นและปรับแต่งผิวด้านในและด้านนอกของเส้นใยเป็น สิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่ง ทั้งนี้เนื่องจากการปรับแต่งผิวเส้นใยนาโนโดยใช้สารหรือโมเลกุลอื่นนี้ สามารถเปลี่ยนสมบัติเคมีเชิงผิวของเส้นใยนาโน ทำให้สามารถปรับสมบัติต่างๆ เช่น การไหลของของเหลว และการติดอนุภาคนาโนหรือตัวทำปฏิกิริยาอื่นโดยอาศัยการทำปฏิกิริยาทางเคมี กับผิวที่เปลี่ยนสมบัติทางเคมีแล้ว
Xie และคณะ [18, 19] ได้สาธิตการปรับผิวด้านในและด้านนอกของเส้นใยนาโนเซรามิกกลวงของ TiO2 โดยใช้ไซเลนแบบโซ่ยาวที่ละลายได้ในน้ำมัน รูปที่ 10 (ก) เป็นภาพถ่ายด้วยเทคนิคฟลูออเรสเซนต์แสดงการเจือแกนของน้ำมันด้วย amphiphilic fluorescent dye (1,19-dioctadecyl-3,3,39,39-tetramethylindocarbocyanine perchlorate) เพื่อให้ได้เส้นใยนาโยแบบกลวงของ TiO2 บรรจุด้วย fluorescent dye นอกจากนี้ผิวด้านในของเส้นใยนาโนเซรามิกกลวงของ TiO2 สามารถทำให้มีสมบัติที่ไม่ชอบน้ำ (hydrophobic) โดยการเจือน้ำมันด้วย methyl-terminated silane ซึ่งการเคลือบผิวด้านในนี้สามารถใช้ในการปรับเปลี่ยนผิวด้านนอกและด้านในของ TiO2 ได้ ดังแสดงในรูปที่ 10(ข) และ รูปที่ 10(ค) ถ้าในตอนแรกผิวด้านนอกถูกเคลือบด้วย methyl-terminated silane มันจะปกป้องผิวด้านนอกเมื่อถูกนำไปจุ่มใน amino-functionalized silane ดังนั้นด้านนี้จะไม่ทำปฏิกิริยาเมื่อจุ่มลงในสารละลายของทองคำ และอนุภาคนาโนของทองคำจะเลือกเกาะติดเฉพาะที่ผิวด้านนอกของ TiO2 เท่านั้น ดังแสดงในรูปที่ 10(ค)
นอกจากนี้ อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนยังสามารถใช้ในการเตรียมเส้นใยนาโนที่มีโครง สร้างแบบรูพรุนได้ เช่น เส้นใยนาโน TiO2 โครงสร้างแบบรูพรุน [9] การเตรียมเส้นใยนาโนแบบนี้ ทำได้โดยการเผาแคลไซน์เส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ poly(styrene)/DMF-THF (แกนใน) และ titanium isopropoxide/PVP (เปลือกนอก) ในอากาศ ซึ่งจะกำจัดทั้ง poly(styrene) และ PVP ออกไป เหลือเพียงเส้นใยนาโน TiO2 โครงสร้างแบบรูพรุน (รูปที่ 11)

 

รูปที่ 11 เส้นใยนาโน TiO2 โครงสร้างแบบรูพรุน เตรียมโดยการเผาแคลไซน์เส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ poly(styrene)/DMF-THF (แกนใน) และ titanium isopropoxide/PVP (เปลือกนอก) ในอากาศ [9]

ครั้งต่อไปติดตามดูวิธีอิเล็กโตรสปินนิงแบบหลอมละลาย (Melt-Electrospinning) และแบบอื่นๆ ครับ

สาระน่ารู้ : เส้นใยนาโน (nanofiber) ตอนที่ 1

สาระน่ารู้ : เส้นใยนาโน (nanofiber) ตอนที่ 1

สาระน่ารู้เกี่ยวกับ เส้นใยนาโน

     ปัจจุบันทุกประเทศทั่วโลกให้ความสำคัญกับการพัฒนาทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เพิ่มขึ้นมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแก้ปัญหาวิกฤติความต้องการทางด้านสุขภาพ พลังงานและสิ่งแวดล้อม ซึ่งมีผลกระทบเป็นอย่างมากต่อเศรษฐกิจและการแข่งขันของประเทศ นาโนเทคโนโลยี (nanotechnology) เป็นเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการผลิตและการประยุกต์ใช้สารที่มีขนาดเล็ก เป็นหนึ่งในพันล้านของเมตร (10-9 เมตร) ซึ่งเริ่มมีบทบาทสำคัญต่อมนุษย์ทั้งทางตรงและทางอ้อมในปัจจุบันและจจะมาก ยิ่งขึ้นในอนาคต ในชีวิตประจำวัน มนุษย์ได้ใช้ประโยชน์จากเส้นใยในการทำเป็นเสื้อผ้า เครื่องนุ่งห่ม เชือก ด้าย ฯลฯ เส้นใยเหล่านี้มีขนาดเล็กแต่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เช่น เส้นใยจากรังไหมมีขนาดใกล้เคียงกับเส้นผม ประมาณ 100 ไมโครเมตร (micrometre, m หรือหนึ่งในล้านเมตร) แต่ถ้าหากมีกระบวนการซึ่งทำให้เส้นใยมีขนาดเล็กลงมากจนกระทั่งมองไม่เห็นด้วยตาเปล่าในระดับนาโนเมตร (nanometer, nm) จะทำให้เกิดประโยชน์ต่อการดำรงชิวิตของมนุษย์มากเพียงใด

1. เส้นใยนาโนคืออะไร และมีประโยชน์อย่างไร

“เส้น ใยนาโน (nanofiber)” เป็นเส้นใยที่มีขนาดเล็กในระดับนาโนเมตร ถึงระดับ 100 นาโนเมตร ทำให้มีข้อดีคือ มีอัตราส่วนระหว่างพื้นผิวต่อปริมาตร (surface-to-volume ratio) สูง เช่น เส้นใยนาโนขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 นาโนเมตร จะมีขนาดเล็กกว่าและมีอัตราส่วนพื้นผิวตามความยาวของเส้นใยต่อปริมาตร เป็น 1,000 เท่าของเส้นผมที่มี

รูปที่ 1 (ก) เส้นผมขนาดประมาณ 100 m วางทับบนเส้นใยนาโน TiO2/PVP ขนาด 100-200 nm (งานวิจัยของกลุ่ม SSMG มข.) สำหรับทำเป็นเส้นใยนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ (ข) เปรียบเทียบขนาดเส้นใยนาโนประมาณ 100 nm ซึ่งเล็กกว่าเส้นผมถึง 1,000 เท่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 ไมโครเมตร (รูปที่ 1)

นอกจากนี้ เส้นใยนาโนจะมีขนาดของรูพรุน ที่เล็กด้วย [1] ส่งผลทำให้มีสมบัติพิเศษต่างๆ เช่น สมบัติเชิงกล สมบัติทางไฟฟ้า หรือสมบัติทางชีวภาพ ที่ดีมากเหมาะสำหรับงานเฉพาะด้านซึ่งต้องการความได้เปรียบของขนาดที่เล็ก มากๆ ทั้งนี้ขึ้นกับวิธีและสารที่นำมาใช้ประดิษฐ์ ปัจจุบันเริ่มมีการประยุกต์ใช้เส้นใยนาโนทางด้านต่างๆ อย่างกว้างขวางดังใน รูปที่ 2 เช่น การประยุกต์ใช้งานของเส้นใยนาโนพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ ไม่เป็นพิษและมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพ สำหรับงานทางด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ ผ้าปิดแผล ระบบนำส่งยา ระบบการกรองอย่างละเอียด เป็นต้น

รูปที่ 2 ตัวอย่างการประยุกต์ใช้เส้นใยนาโน

2. จะผลิตเส้นใยนาโนได้อย่างไร

เทคนิคที่นำมาใช้ในการเตรียมเส้นใยนาโนมีหลายวิธีซึ่งแต่ละวิธีการมีข้อ ดีข้อเสียที่แตกต่างกันไป เทคนิคอิเล็กโตรสปินนิง (electrospinning) หรือ การปั่นเส้นใยด้วยไฟฟ้าสถิตเป็นทางเลือกใหม่ที่สามารถใช้เตรียมเส้นใยนาโน ของวัสดุพอลิเมอร์และสารอนินทรีย์ออกไซด์หลากหลายชนิดสำหรับประยุกต์ใช้ใน ทางการแพทย์ เภสัชกรรม วิศวกรรม การทหาร และอื่นๆ
อิเล็กโตรสปินนิงเป็นวิธีประดิษฐ์เส้นใยนาโนที่ได้รับความสนใจและใช้กัน อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน สามารถประดิษฐ์เส้นใยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 10 นาโนเมตร ถึงมากกว่า 1 ไมโครเมตร [2] โดยอาศัยแรงทางไฟฟ้าที่เกิดจากศักย์ไฟฟ้ากำลังสูง สำหรับระบบพื้นฐานมีส่วนประกอบหลักที่สำคัญเพียง 3 ส่วน [3] คือ แหล่งกำเนิดศักย์ไฟฟ้ากำลังสูง (high voltage power supply) หลอดบรรจุสารละลายที่ติดเข็มโลหะ (syringe with needle) และวัสดุรองรับที่เป็นโลหะ (metal collector) (รูปที่ 3) จัดเป็นระบบที่ไม่มีความซับซ้อน มีค่าใช้จ่ายน้อย และใช้งานได้สะดวก ทั้งนี้ในระบบที่พัฒนาให้ดีขึ้น สามารถเพิ่มอุปกรณ์สำหรับควบคุมการไหลของสารละลาย (syringe pump) และทำให้การประดิษฐ์เส้นใยมีประสิทธิภาพสูงขึ้น กล่าวคือ สามารถควบคุมขนาดและปริมาณการเกิดเส้นใยได้ต่อเนื่องมากยิ่งขึ้น

3. อิเล็กโตรสปินนิงทำงานอย่างไร?
การทำงานของระบบอิเล็กโตรสปินนิงแสดงในรูปที่ 3 เมื่อยังไม่ให้ศักย์ไฟฟ้ากำลังสูงแก่ระบบ สารละลายจำนวนหนึ่งจะรวมตัวกันเป็นหยดรูปร่างครึ่งทรงกลมที่บริเวณปลายเข็ม โลหะอันเป็นผลเนื่องมาจากแรงตึงผิว (surface tension) แต่เมื่อให้ความต่างศักย์กำลังสูงจะทำเกิดสนามไฟฟ้าครอบคลุมส่วนปลายของเข็ม โลหะและมีประจุเกิดขึ้นที่ผิวของสารละลาย จึงเกิดแรงผลักทางไฟฟ้าสถิต (electrostatic repulsion) ขึ้นในทิศตรงกันข้ามกับแรงตึงผิว [4] ดังนั้น ถ้าสนามไฟฟ้ามีค่ามากพอที่จะทำให้เกิดแรงผลักมากกว่าแรงตึงผิว จะส่งผลให้รูปร่างครึ่งทรงกลมของสารละลายที่อยู่ปลายเข็มยืดออกเป็นรูปร่าง ทรงกรวยที่เรียกว่า “กรวยของเทเลอร์” (Taylor’s cone) และเมื่อสนามไฟฟ้าที่ให้แก่ระบบมีค่ามากขึ้นจนกระทั่งถึงค่าวิกฤตค่าหนึ่งจะ เกิดแรงขับดันให้สารละลายพุ่งออกมาเป็นลำ (solution jet) ต่อมาลำของสารละลายนี้จะยืดออกจนมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลงถึงระดับนาโน เมตร แล้วตกลงบนวัสดุรองรับในลักษณะที่ไม่เกิดการถักทอ (non-woven nanofiber) ความไม่เสถียรของการบิดโค้งของเส้นใยอธิบายได้จากรูปขยายในรูปที่ 3 (ข) บริเวณที่ลำของสารละลายได้ยืดออกมาห่างจากจุดเริ่มต้นระยะหนึ่ง พบว่า สารละลายถูกเหนี่ยวนำให้เกิดประจุที่ผิวของสารละลาย และด้วยสนามไฟฟ้าภายนอกที่เกิดจากความต่างศักย์ระหว่างปลายเข็มถึงวัสดุรอง รับที่เป็นตัวนำ จึงส่งผลให้เกิดลำของประจุขึ้น ด้วยเหตุผลดังกล่าวนี้ จึงเกิดแรงที่ไม่สมดุล ทำให้ลำสารละลายยืดออกใน

รูปที่ 3 ส่วนประกอบและหลักการของวิธีอิเล็กโตรสปินนิง (ก) ในช่วงก่อนการให้ศักย์ไฟฟ้ากำลังสูง และ (ข) ให้ศักย์ไฟฟ้ากำลังสูงที่มีค่ามากพอแก่ระบบจนกระทั่งเกิดเส้นใยนาโนขึ้น

      เส้นทางที่ซับซ้อนอันนำมาซึ่งเส้นใยที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กลง อย่างมากและยิ่งรอบของการบิดโค้งมีจำนวนมากขึ้นจะทำให้สารละลายยืดออกเป็น เส้นที่เล็ก กอปรกับการระเหยออกของตัวทำละลาย ในที่สุดเกิดเส้นใยที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กในระดับนาโนเมตรได้ [2]
เส้นใยที่ประดิษฐ์ได้มีลักษณะหลายรูปแบบ และมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตลอดจนความต่อเนื่องของเส้นใยแตกต่างกันออกไป ทั้งนี้ขึ้นกับปัจจัยต่างๆ ซึ่งสามารถแบ่งตัวแปรสำคัญที่ทำให้เกิดผลกระทบต่อลักษณะเส้นใยได้เป็น 3 กลุ่ม [5] คือ อะไรนั้นติดตามตอนต่อไปครับ

นาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology)

 

นาโนเทคโนโลยี

นาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology) หมายถึงวิทยาการในการประกอบและผลิตสิ่งต่างๆ ขึ้นมาจากการจัดเรียงอะตอม  หรือโมเลกุลเข้าด้วยกันในระดับนาโนเมตรหรือขนาด 1  ในพันล้านส่วนของ 1 เมตร โดยเป็นการผสมผสานของวิทยาศาสตร์หลายแขนง เช่น  ชีววิทยา ชีวเคมี วิศวกรรมศาสตร์สาขาหุ่นยนต์ และเครื่องจักรกล

ความเป็นมา

                คำว่า นาโน (Nano)  มีรากศัพท์มาจากภาษากรีกว่า  Nanos แปลว่า  แคระ  และมักเรียกกันในอีกชื่อหนึ่งว่า       ตัวแคระ  ดังนั้น นาโน จึงเป็นสิ่งของที่เล็กมาก

ตัวอย่าง เช่น สิ่งของที่มีขนาด 1 นาโนเมตร ก็หมายถึงมีขนาด 1 ในพันล้านเมตร (อักษรย่อ น.ม. - nm) หรือเท่ากับ 1/1,000,000,000 เมตร (หนึ่งในพันล้านส่วนของเมตร) โดยปกติแล้วใช้เป็นคำอุปสรรค (prefix) ซึ่งมีค่าเท่ากับหนึ่งในพันล้านส่วน เมื่อนำคำว่า “นาโน” ไปใช้ในหน่วยใดก็ตาม จะหมายถึงพันล้านส่วนของหน่วยนั้น เช่น 1 นาโนเมตรมีขนาดประมาณ 1 ใน 50,000 ส่วนของเส้นผมของคนเรา หรือเส้นผมมีขนาดประมาณ 50,000 นาโนเมตร

หรือน้ำ 1 นาโนลิตร จะเท่ากับน้ำ 1 แก้วที่ได้จากการนำน้ำ 1 ลิตรมาตวงแบ่งออกเป็นพันล้านแก้วเล็กๆ  หรือระยะเวลา 1 นาโนวินาที แปลว่าเป็นช่วงเวลาที่สั้นมาก แค่เพียง 1 ส่วนในพันล้านวินาที

                หรือเซลล์แบคทีเรียมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางไม่กี่ร้อยนาโนเมตร

                หรือสิ่งเล็กจิ๋วที่สุดที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้โดยไม่ต้องมีเครื่องช่วยมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 10,000 นาโนเมตร

   หรืออะตอมของไฮโดรเจน 10 ตัวรวมกันเท่ากับ 1 นาโนเมตร

   มีผู้ให้ความหมายของ นาโนเทคโนโลยี ไว้หลากหลาย เช่น

นาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology) เป็นเทคโนโลยีที่เกี่ยวกับสิ่งที่เล็กมาก สิ่งของที่มีขนาด 1 นาโนเมตร ก็หมายถึงมีขนาด 1 ในพันล้านเมตร โดยอาจเปรียบเทียบได้อย่างง่ายๆ ว่า ผู้ชายที่สูง 2 เมตรเท่ากับผู้ชายคนนี้สูงถึง 2 พันล้านนาโนเมตร สิ่งที่เล็กมาก เช่น ดีเอ็นเอ (DNA ตัวย่อของ Deoxy ribonucleic acid) ที่เคยได้ยินกันบ่อยๆ นั้น มีความกว้างของโมเลกุลประมาณ 2.5 นาโนเมตร

นาโนเทคโนโลยี เป็นการสร้างเทคโนโลยีจากอะตอม และโมเลกุลของสิ่งต่าง ๆ ที่ไม่มีชีวิตขนาด 1 ในพันล้านส่วน มาใช้ให้เกิดประโยชน์ในชีวิตประจำวันมากที่สุด โดยเฉพาะการช่วยให้ประชาชนมีสุขภาพดี และสามารถรักษาโรค ซึ่งเรื่องนี้ กำลังเป็นที่แพร่หลายในวงการแพทย์ของญี่ปุ่นและอเมริกา เพราะสามารถสร้างเครื่องมือขนาดจิ๋วรักษาโรคในระดับเซลล์ หรือโมเลกุลในร่างกายได้ อย่างเช่นโรคมะเร็ง

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

                เดิมมนุษย์สนใจสร้างสิ่งที่มีขนาดใหญ่ เช่น ปิรามิด กำแพงเมืองจีน ปราสาทราชวังต่างๆ ส่วนสิ่งที่มีขนาดเล็กก็สนใจเช่นกัน เช่น โทรทัศน์ วิทยุ โทรศัพท์ คอมพิวเตอร์ ต่อมาทั้งโทรทัศน์ วิทยุ โทรศัพท์ คอมพิวเตอร์มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆเพื่อความสะดวกในการนำติดตัวไป กลายเป็นโทรศัพท์มือถือ และคอมพิวเตอร์แบบกระเป๋าหิ้ว (Notebook) เป็นต้น ตัวอย่างที่ชัดเจนอีกอย่างหนึ่งคือ การพัฒนาการเก็บข้อมูลที่เปลี่ยนจากการใช้แผ่นเก็บข้อมูล (floppy disk) ที่มีเนื้อที่ให้เก็บไฟล์ขนาดใหญ่มากไม่ได้ จึงจำเป็นต้องใช้หลายๆแผ่นต่อกันเพื่อเก็บไฟล์ขนาดใหญ่มากเพียงไฟล์เดียว มาเป็นการใช้แผ่นซีดี (compact disc; CD) เพียง 1 แผ่น ก็สามารถเก็บข้อมูลได้มากกว่าหลายเท่าตัว ตัวอย่างเหล่านี้นับเป็นสิ่งที่แสดงถึงความเข้าใจของนักวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและวิศวกรรมที่ตระหนักในความสำคัญของสิ่งที่มีขนาดเล็กแต่มีประสิทธิภาพสูง จึงทำให้นักวิจัยสนใจในการศึกษาเรื่องของนาโนเทคโนโลยีกันเรื่อยมาจนถึงปัจจุบัน และจะก้าวหน้าต่อในอนาคต

                นาโนเทคโนโลยี มีจุดเริ่มต้นโดย อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) เป็นผู้ศึกษาขนาดและการเคลื่อนไหวของโมเลกุลน้ำตาล ซึ่งถือว่าเป็นหลักเกณฑ์ที่สำคัญมากของการศึกษาอนุภาคระดับนาโนในเวลาต่อมา หลังจากนั้นได้มีการศึกษาวิจัยนวัตกรรมทางด้านนาโนเทคโนโลยีขึ้นมากมาย

ศาสตราจารย์ริชาร์ด ฟายน์แมน (Richard Feynman) (ค.ศ. 1918-1988) เป็นผู้ให้ความคิดว่า วันหนึ่งนักวิทยาศาสตร์จะสามารถจัดเรียงอะตอมได้ จากการที่เขาได้ปาฐกถาเรื่อง There's plenty of room at the bottom เมื่อปี ค.ศ. 1959 ว่า "สักวันหนึ่ง เราจะสามารถประกอบสิ่งต่างๆ ผลิตสิ่งต่างๆ ขึ้นมาจากการจัดเรียงอะตอมได้ด้วยความแม่นยำ และเท่าที่ข้าพเจ้ารู้ ไม่มีกฎทางฟิสิกส์ใดๆ แม้แต่หลักแห่งความไม่แน่นอน (Uncertainty Principle) ที่จะมาขัดขวางความเป็นไปได้นี้"  ต่อมาเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เมื่อปี ค.ศ. 1965 จากทฤษฎีควอนตัม

ริชาร์ด ฟายน์แมน (ค.ศ. 1918-1988)

(ภาพจาก http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/index.html)

ค.ศ. 1981 เกิร์ด บินนิ่ง (Gred Binning) และ ไฮน์ริช โรห์เฮอร์ (Heinrich Rohrer) ประสบความสำเร็จในการสร้างกล้อง Scanning tunneling microscope ที่สามารถมองเห็นการจัดเรียงตัวของอะตอมของสสารต่าง ๆ ได้อย่างชัดเจน

ค.ศ. 1986 หนังสือชื่อ “จักรกลแห่งการสร้างสรรค์ (Engines of Creation)” ซึ่งมีเนื้อหาทั้งหมดเกี่ยวกับนาโนเทคโนโลยี ที่แต่งโดย อีริค เดรกเลอร์ (Eric Drexler) ได้เริ่มวางจำหน่ายและได้รับความนิยมเป็นอย่างมาก คำว่า นาโนเทคโนโลยี จึงติดตลาดแต่นั้นมา

                จนกระทั่งปี ค.ศ. 2000 รัฐบาลสหรัฐได้ผลักดันให้เกิดโครงการริเริ่มทางเทคโนโลยีแห่งชาติขึ้นมา ทำให้โลกเกิดกระแสตื่นตัวเกี่ยวกับการพัฒนานาโนเทคโนโลยีขึ้นอย่างมาก

ส่วนทางประเทศเอเชีย ประเทศญี่ปุ่นได้จัดตั้งศูนย์วิทยาศาสตร์นาโนและนาโนเทคโนโลยี ขึ้นในมหาวิทยาลัยโอซากา มีการวิจัยด้านนาโนเทคโนโลยี และให้ความสำคัญกับนาโนเทคโนโลยีมาก ทั้งการให้ทุนวิจัยและการศึกษา โดยการศึกษาในระดับปริญญาตรีของมหาวิทยาลัย ได้มีการจัดการเรียนการสอนด้านนาโนเทคโนโลยีนี้ขึ้น  และมีการเรียนด้านสร้างสรรค์อุตสาหกรรมใหม่ ที่อยู่บนพื้นฐานของวิทยาศาสตร์นาโน นอกจากนั้นในมหาวิทยาลัยโทโฮคุก็มีการเรียนด้านวิศวกรรมการแพทย์ในอนาคต ที่อยู่บนพื้นฐานของเทคโนโลยีนาโนชีวภาพอีกด้วย

                สำหรับประเทศไทย เริ่มดำเนินการวิจัยทางด้าน Computational Nanoscience เป็นครั้งแรกโดยผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. ธีรเกียรติ์ เกิดเจริญ ที่ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล เมื่อปี พ.ศ. 2538 ซึ่งขณะนั้นคนส่วนใหญ่ในเมืองไทยคิดว่า "นาโนเทคโนโลยี" เป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้

                ต่อมาได้มีการตั้ง ศูนย์นาโนเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยมหิดล และ ดร.ธีรเกียรติ์ เกิดเจริญได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับนาโนเทคโนโลยีเรื่อยมา มีงานวิจัยทางนาโนเทคโนโลยีที่หลากหลายโดยมี

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.ธีรเกียรติ์ เกิดเจริญและทีมงานรวมทั้งนักศึกษาร่วมทีมวิจัย  มีหัวข้องานวิจัยทางนาโนเทคโนโลยี ที่น่าสนใจ เช่น โพลิเมอร์นำไฟฟ้า (Conductive Polymers) – เซ็นเซอร์ตรวจโรค  ท่อนาโนคาร์บอน (Carbon Nanotube)  ระบบรับรู้กลิ่น  อุปกรณ์เปล่งแสงอินทรีย์  เป็นต้น

ต่อมาปี พ.ศ.2544 สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) อนุมัติให้ดำเนินการวิจัยทางด้านอุปกรณ์โมเลกุล นับเป็นโครงการวิจัยทางด้านนาโนศาสตร์ โครงการแรกของประเทศไทยที่ได้รับการสนับสนุนจากหน่วยงานระดับชาติ

ปี พ.ศ. 2546 คณะรัฐมนตรีอนุมัติการจัดตั้งศูนย์นาโนเทคแห่งชาติและให้มีการจัดทำ Roadmap ด้านนาโนเทคโนโลยี โดยรวมหน่วยงานต่างๆ ทุกกระทรวง มาบูรณาการสร้างความเข้มแข็งให้อุตสาหกรรมไทย โดยใช้นาโนเทคโนโลยีเข้ามาช่วย

               

ความเกี่ยวข้องระหว่างนาโนเทคโนโลยีกับอุตสาหกรรม

                นาโนเทคโนโลยีเกี่ยวข้องกับทุกอุตสาหกรรม เช่น ในด้านการสื่อสาร โทรคมนาคม ไฟฟ้าอีเล็กทรอนิกส์ ที่นักวิจัยกำลังทุ่มเทขะมักเขม้นทำการค้นคว้าพัฒนาอุปกรณ์ขนาดเล็กประเภทนาโนอีเล็กทรอนิกส์หรือนาโนอุปกรณ์ต่างๆ ซึ่งก็เกี่ยวข้องโดยตรงกับวัสดุจำพวกพลาสติก เซรามิกส์ วัสดุกึ่งตัวนำและโลหะ ที่จะส่งผลอย่างใหญ่หลวงกับพัฒนาการของโลกของเทคโนโลยีชั้นสูงให้ได้เป็นแบบซูเปอร์จิ๋ว แต่แจ๋ว ประเภทซูเปอร์คอมพิวเตอร์ หุ่นยนต์ พลังงาน การผลิตยวดยาน จรวดและอาวุธสงคราม ไปจนถึงเรื่องของการสำรวจโลกและอวกาศ นอกจากนี้ยังสนใจอุตสาหกรรมยาและผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ที่ได้จากนาโนเทคโนโลยี อุตสาหกรรมสิ่งทอที่ต้องการผลิตเสื้อผ้าที่มีคุณสมบัติพิเศษ อุตสาหกรรมกระดาษ สีและเครื่องสำอาง เป็นต้น

นาโนเทคโนโลยียังใช้ในอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น เครื่องสำอาง หัวไม้กอล์ฟ หรือแม้แต่ชุดชั้นใน โดยใช้อนุภาคนาโนเคลือบที่เส้นใยผ้าช่วยให้สวมใส่สบายขึ้น เนื่องจากตัวอนุภาคจะช่วยดูดความชื้น อีกทั้งยังมีวิตามินอีช่วยบำรุงผิวอีกด้วย จะเห็นได้ว่า นาโนเทคโนโลยีนั้นอยู่รอบๆ ตัวเรา และแนวโน้มในอนาคตอันใกล้นี้ จะมีการใช้ชิพนาโนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านมากขึ้น

นาโนเทคโนโลยียังมีผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงของอุตสาหกรรมเป็นอย่างมากอีกด้วย โดยเฉพาะอุตสาหกรรมทางการแพทย์ ในอนาคตการผ่าตัดแบบดั้งเดิม อาจเปลี่ยนไปเป็นการผ่าตัดระดับนาโน (nanosurgeons) โดยการควบคุมหุ่นยนต์นาโน (nanorobots) เข้าไปตรวจจับและทำลายเซลมะเร็ง หรือไวรัสที่ต้องการโดยไม่เป็นอันตรายต่อเซลอื่น สำหรับอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์ ผลิตภัณฑ์จะมีขนาดเล็กลง สามารถบรรจุข้อมูลได้ถึงล้านล้านล้านตัวอักษรในขนาดเท่าก้อนน้ำตาล

นอกจากนี้ยังมีนาโนเทคโนโลยีที่ใช้ในระดับอุตสาหกรรมเรียบร้อยแล้ว เช่น ผลิตภัณฑ์เครื่องสำอางแป้งที่มีอนุภาคนาโน ทำให้แป้งไม่สะท้อนแสงช่วยให้ใบหน้าดูอ่อนเยาว์ขึ้น ผลิตภัณฑ์ครีมบำรุงผิวอนุภาคนาโนที่ดูดซึมเข้าสู่ผิวหนังดีขึ้น เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของครีม

และยังมีนาโนเทคโนโลยีที่จะใช้ได้จริงในอีก 5-6 ปีข้างหน้าอีก เช่น  ตัวเซนเซอร์ทางการแพทย์  ชิ้นส่วนต่างๆ ของหุ่นยนต์  เซนเซอร์นาโนติดรถยนต์  อวัยวะเทียม กระดูกเทียมที่มีอนุภาคในระดับนาโนสำหรับผู้พิการ เป็นต้น

สาขาย่อยของนาโนเทคโนโลยี

                นาโนเทคโนโลยีเกี่ยวข้องกับหลายสาขาวิชาด้วยกัน ดังนี้

                1.นาโนอีเล็กทรอนิกส์ (Nano Electronics) มีการวิจัยและพัฒนานาโนอีเล็กทรอนิกส์ในหลายแง่มุม ทั้งจากกลุ่มนักวิจัยในมหาวิทยาลัย จากห้องปฏิบัติการของหน่วยงานในภาครัฐและในภาคเอกชน มีการค้นคว้าตั้งแต่ระดับของสมบัติโมเลกุลเดี่ยว การประกอบเป็นอุปกรณ์อีเลกทรอนิกส์  การสร้างวงจรอย่างง่ายๆ ไปจนถึงการพัฒนา “นาโนคอมพิวเตอร์” หรือคอมพิวเตอร์ขนาดจิ๋ว และการทำคอมพิวเตอร์ที่เร็วขึ้นล้านเท่า เป็นต้น

                2.นาโนเคมี (Nano Chemistry) กำเนิดขึ้นตั้งแต่ปี ค.ศ. 1985 เมื่อศาสตราจารย์ริชาร์ดสมอลลีย์ ภาควิชาเคมี มหาวิทยาลัยไรช์ รัฐเทคซัส ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ค้นพบฟูลเลอร์ลีน และพัฒนาไปเป็นท่อนาโน ตลอดจนเฟืองนาโน อันเป็นต้นกำเนิดของเครื่องจักรนาโนหรือจุลจักรกลที่มีการศึกษากันอย่างกว้างขวางอยู่ในปัจจุบัน

                ตัวอย่างผลงานจากนาโนเคมีอีกหนึ่งตัวอย่างคือ คอนกรีตชนิดหนึ่งใช้เทคโนโลยีนาโน คือใช้ Biochemical ทำปฏิกิริยาย่อยสลายกับมลภาวะที่เกิดจากรถยนต์ เช่น ไนโตรเจนไดออกไซด์ ในประเทศอังกฤษได้เริ่มมีการใช้เทคโนโลยีนี้ในการสร้างถนนและอุโมงค์ต่างๆ เพื่อลดมลภาวะบนท้องถนน และขณะเดียวกันเทคโนโลยีนาโน ทำให้อนุภาคคอนกรีตมีขนาดเล็กมาก ฝุ่น และแบคทีเรีย ไม่สามารถฝังตัวในเนื้อคอนกรีตได้ ทำให้อาคารที่ใช้คอนกรีตชนิดนี้ ดูใหม่เสมอ และยังคงไม่สะสมเชื้อโรค

                3.นาโนเทคโนโลยีชีวภาพ (Nano Biotechnology) เช่น การสร้างอาหารที่ไม่มีวันหมด การรักษาโรคมะเร็งโดยการดื่มเพียงน้ำผลไม้ที่มีหุ่นยนต์จิ๋วแบบที่มองไม่เห็น  การใช้หุ่นยนต์นาโนในการป้องกันเชื้อโรค ซ่อมแซมผนังเซลล์ รักษาอาการไขมันอุดตันในเส้นเลือด หรือการสร้างหุ่นยนต์นาโนที่สามารถเคลื่อนที่ในกระแสเลือดเพื่อเข้าทำลายเชื้อโรคหรือเซลล์มะเร็งในร่างกายโดยไม่ต้องมีการผ่าตัดที่เสี่ยงอันตราย  สำหรับในเมืองไทยเราจะเน้นทางด้านสร้างเสริมสุขภาพอนามัยเป็นหลัก โดยนำสิ่งที่เรามีบนผืนแผ่นดินไทย ซึ่งนับเป็นมรดกอันมีค่ามาใช้ประโยชน์ให้ได้มากที่สุด เนื่องจากเมืองไทยมีพืชพันธุ์ธัญญาหารที่อุดมสมบูรณ์ ประกอบกับมีนักวิทยาศาสตร์ไทย ที่มีความสามารถในการเพาะเลี้ยงอาหารโปรตีนที่มีคุณค่าระดับโมเลกุล

                4.วัสดุนาโน (Nano Material) เรียกกันว่า “วัสดุสุดจิ๋ว” หรือ “วัสดุซูเปอร์จิ๋ว” คือเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างที่มีขนาดเล็กกว่า 100 นาโนเมตร หรือเป็นการรวมตัวกันของอะตอมเป็นกลุ่มก้อนที่มีขนาดเล็กกว่า 100 นาโนเมตร และมีขนาดเล็กกว่าขนาดของอนุภาคทั่วๆไป 10,000 เท่า

                5.นาโนวิศวกรรม (Nano Engineering) เช่น การใช้พลังงานแสงอาทิตย์อย่างเต็มที่ การสร้างท่อนาโน (Nano Tube) แล้วอาจจะดัดแปลงนำมาใช้เป็นเกียร์และแบริ่ง สำหรับส่งกำลังในทางวิศวกรรมเครื่องกลระดับโมเลกุล

ภาพแสดง Nanotube ที่มาต่อกันเป็นรูปตัว T เพื่อทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์สำหรับวงจรนาโนอิเล็กทรอนิกส์ สีเขียวแสดงส่วนของ tube ที่มีสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้า สีแดงคือส่วนที่มีสมบัติกึ่งตัวนำ การที่ Nanotube ซึ่งประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนมีสมบัติการนำไฟฟ้าต่างกัน ก็เนื่องมาจากขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ tube ต่างกันนั่นเอง ทำให้ความยากง่ายในการนำไฟฟ้าต่างกันด้วย

(ภาพและคำอธิบายภาพจาก http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/index.html)

ท่อนาโน (Nanotube) อาจจะดัดแปลงนำมาใช้เป็นเกียร์และแบริ่ง สำหรับส่งกำลังในทางวิศวกรรมเครื่องกลระดับโมเลกุล (ภาพและคำอธิบายภาพจาก http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/index.html)

นอกจากนี้ยังมีสาขาวิชาที่หลากหลาย เช่น นาโนเซนเซอร์ (Nano Sensor)  การแพทย์นาโน (Nano Medicine) เช่น การรักษาโรคมะเร็ง นาโนมอเตอร์ (Nano Motor) หรือ นาโนอุปกรณ์ (Nano Device)  นาโนยนต์ หรือหุ่นยนต์นาโน (Nano Robot)  เกษตรกรรมยุคนาโน (Nano Agriculture) อาหารยุคนาโน (Nano Food) นาโนโซลาร์เซลล์ (Nano Solacell)  และ โรงงานนาโน (Nano Factory) อนุภาคนาโน (Nanoparticle) วัสดุผสมผสานนาโน (Nanocomposites)  เสนใยนาโน (Nanofibers)  โครงสรางนาโนของคารบอน และ โพรงนาโน (Nanotubes and Nanopores) 

ฟลมบางนาโน (Thin Fim Nanostructure) และ ลูกคิดนาโน (Nanoabacus) เป็นต้น

ภาพแสดง Nanoabacus (หรือ ลูกคิดนาโน เป็นลูกคิดที่มีขนาดเล็กที่สุดในโลก ตัวลูกคิดทำจากโมเลกุลคาร์บอน-60) จากเครื่อง STM

(ภาพและคำอธิบายภาพจาก http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/index.html)

ตัวอย่างหน่วยงานในประเทศไทยที่ทำการวิจัยทางด้านนาโนเทคโนโลยี

                1.ศูนย์นาโนเทคโนโลยี ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยมหิดล ทำการวิจัยในด้านของประดิษฐกรรมและวิศวกรรมนาโนเทคโนโลยี เช่น มีผลงานวิจัยในการผลิตโพลิเมอร์เรืองแสง โดยใช้นาโนเทคโนโลยี ตั้งเป้านำไปทดแทนอุปกรณ์ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในไฟฟ้า ประหยัดพลังงานมากกว่าหลอดไฟแบบเดิม และไม่เกิดขยะอิเล็กทรอนิกส์ เพราะย่อยสลายสู่สภาพแวดล้อมได้ง่าย

                ศูนย์นาโนเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยมหิดล ยังรับสมัครนักศึกษาเข้าเรียนหลักสูตร Computational Science ระดับปริญญาโท และ ปริญญาเอก ผ่านระบบทางไกล โดยลงทะเบียนเรียน เพื่อรับปริญญาของมหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์ จ. นครศรีธรรมราช แต่ทำวิจัยและเรียนจริงที่ ศูนย์นาโนเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยมหิดล กรุงเทพฯ ปริญญา:Master of Science (M.Sc.) and Doctor of Philosophy (Ph.D.) in Computational Scienceออกโดย มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์

                2.คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ได้จัดตั้งห้องปฏิบัติการวิจัยสิ่งประดิษฐ์สารกึ่งตัวนำ (SDRL) และได้ทำการศึกษาวิจัย พัฒนา และตรวจสอบสารกึ่งตัวนำ

                3.ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ได้จัดตั้งห้องปฏิบัติการวิจัยฟิสิกส์สารกึ่งตัวนำ และทำการศึกษาสารประกอบกึ่งตัวนำ ซึ่งเป็นสารที่มีศักยภาพสูงในการใช้เป็นสารประกอบเพื่อผลิตเซลล์แสงอาทิตย์

                4.ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่  ทำการวิจัยทางด้านสารกึ่งตัวนำที่เกี่ยวข้องกับนาโนเทคโนโลยี

                5.ห้องปฏิบัติการวิจัยไมโครอิเล็กทรอนิกส์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหาร ลาดกระบัง การวิจัยได้มุ่งเน้นในการผลิตสิ่งประดิษฐ์โครงสร้างของ MOS และได้มีการพัฒนาแผ่นฟิล์มที่ทำด้วยเพชร โดยใช้วิธี CVD

                6.มหาวิทยาลัยขอนแก่น มีการวิจัยโดยเน้นไปทางด้านการใช้เทคนิค CVD มาผลิตฟิล์มที่ทำด้วยเพชร

                7.ศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ (ตั้งอยู่ในมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี สุรนารี โดยการกำกับดูแลของกระทรวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยีสิ่งแวดล้อม) ทำการศึกษาความเป็นไปได้ในการสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตอนขึ้นในประเทศไทย ผลสรุปพบว่าประเทศไทยมีศักยภาพเพียงพอในการดำเนินการสร้างเครื่องกำเนิดแสงซิโครตอน

                8.สถาบันวิจัยโลหะและวัสดุ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ร่วมกับ สำนักงานนวัตกรรมแห่งชาติ กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สนช.) และบริษัท ยูไนเต็ด เท็กไทล์ มิลส์ จำกัด ประสบความสำเร็จในการผลิต “เสื้อกีฬานาโนเทคโนโลยี” โดยพัฒนาเทคนิคจาก “อนุภาคเงิน” แทรกลงใยผ้าได้ทุกชนิด ช่วยยับยั้งแบคทีเรียจากเหงื่อและรอยดำ พร้อมขจัดกลิ่นไม่พึงประสงค์อันเกิดจากเชื้อรา ซักแล้ว 30 ครั้งผงเงินยังไม่จาง และทดสอบยังไม่พบอาการแพ้ พร้อมส่งต่อเทคโนโลยีให้ภาคอุตสาหกรรมพัฒนาใช้เชิงพาณิชย์ตามโครงการ “แปลงเทคโนโลยีเป็นทุน”

ล่าสุดบริษัท ยูไนเต็ด เท็กซ์ไทล์ มิลล์ จำกัด หนึ่งในกลุ่มบริษัทผู้นำอุตสาหกรรมสิ่งทอ และบริษัท อินโนเทค เท็กซ์ไทล์ จำกัด ได้จัดทำเสื้อฉลองครองราชย์ ๖๐ ปี ของสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว ภายใต้แบรนด์ I-TEX ด้วยนวัตกรรม I-TEX (SILVER NANO เสื้อไร้แบคทีเรีย) เนื่องในวโรกาสฉลองสิริราชสมบัติครบ ๖๐ ปี ของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว โดยเป็นการสร้างมูลค่าเพิ่มให้กับผลิตภัณฑ์สิ่งทอไทย และเป็นทรัพย์สินทางปัญญาที่คนไทยวิจัยคิดค้นขึ้นมา โดยได้มีการจดสิทธิบัตรถูกต้องเป็นที่เรียบร้อยแล้ว และเป็นผลงานการวิจัยของสถาบันวิจัยโลหะและวัสดุ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ร่วมกับ บริษัท ยูไนเต็ด เท็กซ์ไทล์ มิลล์ จำกัด โดยการสนับสนุนจากสำนักงานนวัตกรรมแห่งชาติ กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ปกติแล้วนวัตกรรมนาโนจะใช้ในวงการต่างๆ แต่สำหรับวงการอุตสาหกรรมสิ่งทอ เราถือเป็นเจ้าแรกของโลกที่นำนวัตกรรมซิลเวอร์นาโนมาใช้ โดยผลวิจัยของคนไทยจากห้องปฏิบัติการ โดยผลงานชิ้นนี้ได้รับคัดเลือกให้เป็นสุดยอดนวัตกรรมแห่งชาติปี 2548 เป็นรางวัลอันดับ 1 ด้วย ซึ่งคุณสมบัติของซิลเวอร์นาโนจะไปยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย ระงับกลิ่นเหงื่อและไม่เกิดการระคายเคืองต่อผิวหนัง ซึ่งเหมาะกับประเทศไทยเป็นอย่างมาก เพราะมีอากาศร้อน นอกจากนี้ วิถีชีวิตที่เร่งรีบของคนในปัจจุบัน ที่ไม่ได้ซักผ้าในทันทีหรือทุกวัน ทำให้ผ้าที่ถูกกองเก็บไว้เกิดการสะสมเชื้อโรค ซึ่งคุณสมบัติพิเศษของซิลเวอร์นาโนจะช่วยลดแบคทีเรียที่เกิดขึ้นได้ โดยคาดว่า ภายในระยะเวลาไม่เกิน 6 เดือน เสื้อซิลเวอร์นาโน จะได้รับความนิยมจากผู้บริโภคอย่างสูง

อั้ม อธิชาติ ชุมนานนท์ และแพนเค้ก เขมนิจ จามิกรณ์ นำทีมขบวนกลองยาวโรดโชว์ตามถนนสีลม ภายใต้คอนเซ็ปต์ “เสื้อซิลเวอร์นาโน ฉลองราชย์ ๖0 ปี (ภาพจาก http://www.nanotec.or.th/nanotec/index.php#)

9.ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ได้ทำการวิจัยเรื่อง “การผลิตเส้นใยนาโนในโพลิเมอร์ เพื่อการพัฒนาระบบนำส่งยาปฏิชีวนะ” โดยได้พัฒนาเส้นใยนาโนผสมยารักษาแผลผู้ป่วยโรคเบาหวาน ซึ่งเป็นทางเลือกใหม่ในการนำส่งยาเพื่อการรักษาโรค คาดว่าไม่เกิน 2 ปี จะแล้วเสร็จ

นาโนเทคโนโลยีกับการศึกษา

             ในการเรียนการสอนวิทยาศาสตร์ระดับมัธยมศึกษาของไทยพบว่า มีเนื้อหาเกี่ยวกับวิชาวิทยศาสตร์ทั้งฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา เทคโนโลยีชีวภาพ และอีเล็กทรอนิกส์อยู่ด้วย จึงควรจะนำตัวอย่างของนาโนเทคโนโลยีให้นักเรียนได้เรียนรู้เป็นพื้นฐานด้วย ส่วนในระดับมหาวิทยาลัยก็มีการเรียนการสอนวิชาวิทยาศาสตร์ที่มีเนื้อหาวิชาเรื่องนาโนเทคโนโลยีอยู่แล้ว และยังมีการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับนาโนเทคโนโลยีในมหาวิทยาลัยหลายแห่ง บางแห่งตั้งเป็นศูนย์นาโนเทคโนโลยีขึ้นโดยเฉพาะ คาดว่าจะก้าวหน้ายิ่งขึ้นไป

                นาโนเทคโนโลยีเป็นเทคโนโลยีที่มีศักยภาพสูงในการสร้างผลิตภัณฑ์ทางอุตสาหกรรมได้หลากหลายชนิด ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบัน เช่น การทำคอมพิวเตอร์ขนาดจิ๋ว และการทำคอมพิวเตอร์ที่เร็วขึ้นล้านเท่า  การสร้างหุ่นยนต์นาโนที่สามารถเคลื่อนที่ในกระแสเลือดเพื่อเข้าทำลายเชื้อโรคหรือเซลล์มะเร็งในร่างกายโดยไม่ต้องมีการผ่าตัดที่เสี่ยงอันตราย  หรือ การรักษาโรคมะเร็งโดยการดื่มเพียงน้ำผลไม้ที่มีหุ่นยนต์จิ๋วแบบที่มองไม่เห็น  สิ่งเหล่านี้คงไม่นานเกินรอแน่นอน

อย่างไรก็ตามถึงแม้นาโนเทคโนโลยีมีความสามารถในการสร้างสรรค์สิ่งที่เป็นไปได้ในโลกจำนวนมากมาย แต่จะถูกจำกัดด้วยความสามารถในการคิดและจินตนาการของมนุษย์  สิ่งที่เราต้องพึงระลึกไว้ก็คือการใช้นาโนเทคโนโลยีมีความเป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดการสร้างสรรค์และการเสี่ยงต่ออันตราย  จึงเป็นสิ่งที่นักวิจัยควรจะพยายามลดการเสี่ยงอันตรายให้น้อยที่สุด

หวน  พินธุพันธ์

บรรณานุกรม

“ความเป็นมาของนาโนเทคโนโลยี” ใน http://www.nanotec.or.th/nanotec/index.php#

 “ไทยควรตระหนักความสำคัญ  นาโนเทคโนโลยี”

ใน http://www.se-ed.com/magazine/news.aspx?iRun=542

ธีรเกียรติ์ เกิดเจริญ,ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. “นาโนเทค ความเป็นไปได้ และ ทิศทางในอนาคต”

ใน http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/index.html

ผู้จัดการออนไลน์ “ขายแล้ว!! เสื้อนาโนไม่ต้องซัก-ยับยั้งแบคทีเรีย”  25 เมษายน 2549 15:40 น.

ใน http://www.nanotec.or.th/nanotec/index.php# 

ผู้จัดการออนไลน์ “มหิดลผลิตหลอดไฟนาโนทดแทนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์”

ใน http://www.manager.co.th/Science/ViewNews.aspx?NewsID=9480000005899

ผู้จัดการออนไลน์ “สนช. – จุฬาฯ โชว์ “เสื้อกีฬานาโน” ตัวแรกของไทย”

ใน http://www.manager.co.th/Science/ViewNews.aspx?NewsID=9480000100580

ยอดหทัย เทพธรานนท์, สาสตราจารย์ ดร. และ ประมวล ตั้งบริบูรณ์รัตน์, รองศาสตราจารย์ ดร.

นาโนเทคโนโลยี…เทคโนโลยีซูเปอร์จิ๋ว กรุงเทพมหานคร : สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ, 2545.

รอฮิม ปรามาท แปล นาโนเทคโนโลยี  นวัตกรรมจิ๋วปฏิวัติโลก  กรุงเทพมหานคร :

สำนักพิมพ์มติชน, 2547.

“เรื่องนาโนเทคโนโลยี” ใน http://arit.cmru.ac.th/topic/topic3.php?topicid=1000000003

วิลาส  นิรันดร์สุขศิริ “นาโนเทคโนโลยี สร้างโลกที่ดีกว่า…ทีละอะตอม” ใน อัพเดท

ฉบับปีที่ 12  ฉบับที่ 134  สิงหาคม 2540.หน้า 56 – 62.

“สถานการณ์นาโนศาสตร์ในประเทศไทย” ใน http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/course/

สมนึก บุญพาไสว “นาโนเทคโนโลยี เทคโนโลยีในศตวรรษที่ 21”

ใน http://www.ipst.ac.th/design/document/21st-century-technology.pdf

สรินทร  ลิ่มปนาท “นาโนเทคโนโลยี”

ใน http://www.material.chula.ac.th/Radio47/May/radio5-1.htm

อดิสร เตือนตรานนท์, ดร. นาโนเทคโนโลยี จิ๋วแต่แจ๋ว กรุงเทพมหานคร : เนชั่นบุ๊คส์, 2548.

“Thainano” ใน http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/nano/Thainano.pdf