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 และอื่นๆอิเล็กโตรสปินนิงเป็นวิธีประดิษฐ์เส้นใยนาโนที่ได้รับความสนใจและใช้กัน 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
ขอบคุณข้อมูลดีๆครับ
ตอบลบ