หน่วยที่ 8 นาโนเทคโนโลยี

20000-1301 วทิ ยาศาสตรเ์ พ่อื พัฒนาทกั ษะชีวติ หนว่ ยท่ี 8 นาโนเทคโนโลยี ครูธัญพร พุม่ พวง วทิ ยาลัยเทคนคิ ลพบุรี

“นาโน“หมายถึงส่ิงท่ีเลก็ ๆ “เทคโนโลย“ี หมายถึง วทิ ยาการที่เก่ียวกบั ศิลปะในการนาเอา วทิ ยาศาสตร์มา ประยกุ ต์ ใชใ้ หเ้ กิดประโยชน์ในทางปฏิบตั ิและอตุ สาหกรรม “นาโนเทคโนโลยี ” คือ เป็นเทคโนโลยที ี่เกี่ยวขอ้ งกบั กระบวนการ สร้าง การสงั เคราะห์วสั ดุ อุปกรณ์เครื่องจกั ร หรือผลิตภณั ฑซ์ ่ึงมีขนาดเลก็ มากในระดบั นาโนเมตร

เรยี กในอีกช่ือว่า แองสตรอม ยนู ติ (Angstrom unit) สาหรับการทางานบุคคลท่ไี ด้รบั การยกยอ่ งใหเ้ ปน็ บดิ าของ นาโนเทคโนโลยี ไดแ้ ก่ Richard Feynman ในปี 2543 ทางมหาวิทยาลยั คอร์แนล ได้ผลิตอุปกรณ์ กลไกชนิ้ หน่งึ ดว้ ยนาโนเทคโนโลยีเปน็ เคร่อื งแรกของโลก ซึ่งมี ชื่อเปน็ ทีร่ ู้จกั ในวงการวทิ ยาศาสตร์ วา่ อุปกรณ์กลไก Nano Electro Machanical System (NEMS)

วทิ ยาศาสตร์ระดบั นาโน (Nanoscience) ความกา้ วหนา้ ท้งั ทางวทิ ยาศาสตร์และเทคโนโลยีในปัจจุบัน ทาให้ วิทยาศาสตรร์ ะดบั นาโนพัฒนาขน้ึ มาไดอ้ ยา่ งรวดเร็ว จากการศกึ ษาคน้ ควา้ ของ เหล่านกั วิทยาศาสตร์ ทาใหม้ กี ารประดษิ ฐ์เคร่อื งมือและอุปกรณท์ จ่ี าเปน็ ต่อ การศกึ ษาทางดา้ นวิทยาศาสตรร์ ะดบั นาโนขึน้ มา ตวั อย่างเชน่ การประดิษฐ์ กล้องจลุ ทรรศน์แบบตา่ งๆ การสรา้ งไดโอด (diode) การประดิษฐเ์ ครอ่ื ง scanning tunneling microscope (STM) และเครอ่ื ง atomic force microscope (AFM) เป็นตน้

ยคุ โรมนั (30 BC – 640 AD) ถว้ ยโบราณ lycurgus ผลึกนาโนของธาตทุ องคา

ยุคโรมนั (30 BC – 640 AD) ศิลปะสมยั ก่อนท่ีใชก้ ระจกโมเสคท่ีมีส่วนผสมของผลึกนาโน ที่ทาใหเ้ กิด สีสนั ตา่ งๆ นามาใชใ้ นการสร้างประตู หนา้ ต่าง หรือฝ้าเพดาน เพ่ือประดบั ตกแต่งโบสถแ์ ละวหิ าร

ยคุ ของเธอเนสซอง (1450 AD – 1600 AD) เครื่องป้ันดินเผาท่ีใชผ้ ลึกนาโนเป็นส่วนผสมในการสร้างข้ึนมา

คริสตศวรรษที่ 19 ค.ศ.1827 Thomas Wedgewood Humphry Davy Nicéphore Niepce ในช่วงปลายศตวรรษท่ี 18 นักวทิ ยาศาสตร์ชาวองั กฤษ ได้แก่ โทมัส เวดจ์วดู (Thomas Wedgewood) และเซอร์ฮัมฟรี เดวี (Humphry Davy) สามารถที่จะสร้าง ภาพถ่ายโดยใช้เกลือไนเตรทและเกลือคลอไรด์ของเงนิ ภาพถ่ายที่ประสบความสาเร็จเป็ นคร้ังแรกน้ันเกดิ ขนึ้ ในปี ค.ศ. 1827 โดย โจเซฟ เนฟเซย์ (Nicéphore Niepce)

ค.ศ.1857 Michael Faraday ตวั อย่างคอลลอยด์อนุภาคนาโนของธาตทุ องคาขนาด 40 นาโนเมตร ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) เป็นผทู้ ่ีคน้ พบคอลลอยดข์ องโลหะ เป็นคร้ังแรก ในปี ค.ศ. 1856

ค.ศ.1857 เมื่อคร้ังท่ีศึกษาอยใู่ นระดบั ปริญญาเอก ได้ ทาวิทยานิพนธเ์ กี่ยวกบั การคานวณหาขนาด โมเลกลุ ของน้าตาล โดยอาศยั ขอ้ มูลจากการ ทดลองการแพร่กระจายของน้าตาลในน้า Albert Einstein

ค.ศ.1908 ตวั อย่างการกระเจงิ แสงทีค่ วามยาวคล่ืนต่างๆ ท่ีเกดิ ขึน้ ในธรรมชาติ Gustave Mie ทเี่ กดิ ขนึ้ ในช่วงทดี่ วงอาทติ ย์กาลงั จะขึน้ และกาลังจะตก นกั ฟิ สิกส์ชาวเยอรมนั ช่ือ กสุ ตาฟ มี (Gustave Mie) ผทู้ ่ีแสดงใหเ้ ห็นถึง ทฤษฎีการกระเจิงแสงของอนุภาค ซ่ึงเป็นทฤษฎีที่เกี่ยวขอ้ งและเป็นพ้นื ฐาน สาหรับวิทยาศาสตร์ระดบั นาโน

ค.ศ.1931 Max Knoll & Ernst Ruska กล้องจุลทรรศน์ ภาพทีไ่ ด้จากกล้อง อเิ ลก็ ตรอนตวั แรก จลุ ทรรศน์อเิ ลก็ ตรอน ในปี ค.ศ. 1931 นกั วิทยาศาสตร์ชาวเยอรมนั ชื่อ แมกซ์ โนลล์ (Max Knoll) และเอินสท์ รูชะกา้ (Ernst Ruska) ไดพ้ ฒั นากลอ้ งจุลทรรศแ์ บบใหม่ข้ึนมาไดเ้ ป็น ผลสาเร็จ แลว้ กเ็ ป็นกลอ้ งจุลทรรศนท์ ี่สามารถมองเห็นโลกขนาดเลก็ จิ๋วไดม้ ากกวา่ กลอ้ ง จุลทรรศนแ์ บบใชแ้ สง ซ่ึงกลอ้ งจุลทรรศนแ์ บบใหม่น้ีเป็นการใชล้ าอิเลก็ ตรอนแทน ลาแสงเดิม จึงถูกเรียกวา่ กลอ้ งจุลทรรศนอ์ ิเลก็ ตรอน (electron microscope)

ค.ศ.1947 John Bardeen, Walter Brattain, ทรานซิสเตอร์ตวั แรกท่ีถูกสร้างขึน้ และ William Shockley ไดท้ าการสร้างส่ิงที่เรียกวา่ ทรานซิสเตอร์ (transistor) ซ่ึงเป็นวงจรขยาย สญั ญาณท่ีสร้างข้ึนมาโดยใชส้ ่วนผสมของธาตเุ จอร์เมเนียม (germanium)

ค.ศ.1951 Erwin Mueller กล้องจุลทรรศน์สนาม อเิ ลก็ ตรอนตัวแรก เออร์วิน มูเอลเลอร์ (Erwin Mueller) ศาสตราจารยภ์ าควชิ าฟิ สิกส์ แห่งมหาวิทยาลยั เพนซินลวาเนีย สเตทท์ (Pensynlvania state university) ไดท้ าการประดิษฐก์ ลอ้ ง จุลทรรศนส์ นามอิเลก็ ตรอน (field-ion electron microscope) ไดส้ าเร็จ

ค.ศ. 1987 ทีโอดอร์ ฟลู ตนั (Theodore Fulton) และเจอรัลด์ โดแลน (Gerald Dolan) นกั วจิ ยั ในหอ้ งปฏิบตั ิการเบล (Bell Labs) ประเทศสหรัฐอเมริกา ไดส้ ร้างผลงาน การประดิษฐใ์ หม่ท่ีเรียกวา่ ทรานซิสเตอร์แบบอิเลก็ ตรอนเด่ียวลอดผา่ น (single- electron tunneling transistor : SET)

ค.ศ.1988 quantum dot ของแคดเมยี มเซลไิ นด์ (CdSe) ดร.หลยุ ส์ บรัส (Louis Brus) และทีมวิจยั ของเขา ณ หอ้ งปฏิบตั ิการเบลล์ (Bell Labs) คน้ พบวา่ ผลึกระดบั นาโนที่มีขนาดต่างๆ กนั ของสารก่ึงตวั นาชนิด เดียวกนั เช่น สารก่ึงตวั นาแคดเมียมเซลิไนด์ (CdSe) ควอนตมั ดอท มีขีดความสามารถท่ีจะปฏิวตั ิวธิ ีการเกบ็ สะสมพลงั งาน แสงอาทิตย์ สามารถนามาใชส้ าหรับการวินิจฉยั ทางดา้ นการแพทย์

ค.ศ. 1991 Sumio Lijima ท่อนาโนคาร์บอน ซูมิโอะ ลิจิมา (Sumio Lijima) นกั วิจยั ของบริษทั เอน็ อีซี (NEC) ประเทศ ญี่ป่ ุน ไดค้ น้ พบโครงร่างแบบใหม่ของคาร์บอนท่ีเป็นลกั ษณะท่อเลก็ ทม่ี ีขนาดในระดบั นาโนเมตร หรือท่ีเรียกกนั ทว่ั ไปวา่ ท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotube)

ค.ศ. 1996 อนุภาคนาโนทองคาท่ถี ูกยดึ ตดิ โดยดเี อน็ เอ ในปี ค.ศ. 1996 นกั วิจยั ชื่อแชด เมอร์กิ้น (Chad Mirgin) และโรเบิร์ต เลท็ ซิงเกอร์ (Robert Letsinger) แห่งมหาวทิ ยาลยั นอร์ทเวสเทิร์น (Northwestern University) ประเทศสหรัฐอเมริกา ไดค้ น้ พบวิถีทางในการนาคอลลอยดข์ องธาตุ ทองคามาประยกุ ตใ์ ชง้ านทางดา้ นวิทยาศาสตร์ระดบั นาโน

ค.ศ. 1999 บนั ทกึ คากล่าวของ ดร.เฟรย์แมน การพฒั นาที่สาคญั ยง่ิ ในแวดวงของเทคนิคการใชเ้ คร่ืองมือทางดา้ นนาโน เทคโนโลยี คือวิธีการ dip-pen nanolithography หรือ DPN ซ่ึงถูกประดิษฐข์ ้นึ ในปี ค.ศ. 1999 โดยแชด เมอร์กิน (Chad Mirgin) ศาสตราจารยท์ างดา้ นเคมีและเป็น ผบู้ ริหารของสถาบนั นาโนเทคโนโลยี มหาวิทยาลยั นอร์ท เวสเทิร์น (Northwestern University) ประเทศสหรัฐอเมริกา

นาโนเทคโนโลยมี ีประโยชน์อย่างไร นาโนเทคโนโลยใี นสมยั แรก ๆ จะเป็น อุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์ที่ใช้ใน คอมพวิ เตอร์ โทรศัพท์เคลื่อนที่ กล้องดจิ ิตอล เป็นตน้ รวมถึงการผลิตเสน้ ท่อจ๋ิว และสายไฟจ๋ิว (nanotubes and nanowires) การผลิตแผน่ กรอง (nanofilters) เพ่อื กรองน้าและฝ่ นุ ละอองในระดบั นาโน สาหรับงานดา้ นส่ิงแวดลอ้ ม เป็นตน้

ความสาคญั ของนาโนเทคโนโลยี 1.สามารถนาไปประยกุ ตใ์ ชก้ บั ทุกอุตสาหกรรมสาคญั 2.ช่วยใหค้ น้ พบวสั ดุใหม่ท่ีมีคุณสมบตั ิพเิ ศษซ่ึงเป็นรากฐานของ อตุ สาหกรรมการผลิตต่างๆ 3.ช่วยยกระดบั /เพิม่ มูลค่าอุตสาหกรรมท่ีมีอยเู่ ดิมและริเริ่ม อตุ สาหกรรมใหม่ ระบบเศรษฐกิจโมเลกลุ ( Molecular Economy)

สาขาของนาโนเทคโนโลยี 1. เทคโนโลยชี ีวภาพนาโน (Nanobiotecgnology) 2. นาโนอิเลก็ ทรอนิกส์ (Nanoelectronics) 3. วสั ดุนาโน (Nanomaterials)

1. เทคโนโลยชี ีวภาพ (Nanobiotecgnology) เป็นการประยกุ ตใ์ ชน้ าโนเทคโนโลยี ศาสตร์ ดา้ นเทคโนโลยชี ีวภาพ นาโน เช่น การพฒั นาไบโอเซนเซอร์ หรือหวั ตรวจชีวภาพ และสาร วินิจฉยั โรค โดยใชว้ สั ดุชีวโมเลกลุ การปรับโครงสร้างระดบั โมเลกลุ ขอยา ที่สามารถหวงั ผลการ มุ่งทาลายชีวโมเลกลุ ที่เป็นเป้าหมายเฉพาะเจาะจง เช่น เซลลม์ ะเร็ง การประยกุ ตใ์ ชใ้ นอุตสาหกรรมเคร่ืองสาอาง ในการ ส่งผา่ นสารบารุงเขา้ ใตช้ ้นั ผวิ หนงั ไดด้ ียงิ่ ข้ึน

ตวั อย่างงานเทคโนโลยชี ีวภาพ ฟองนาโนของก๊าซโอโซน นาโนซิลกิ อน

2. นาโนอิเลก็ ทรอนิกส์ (Nanoelectronics) การประยกุ ตใ์ ชน้ าโนเทคโนโลยศี าสตร์ดา้ น นาโนอิเลก็ ทรอนิกส์ (ไฮเทค ) เพื่อทาใหผ้ ลิตภณั ฑม์ ีคุณภาพ และทางานดว้ ยประสิทธิภาพสูง ตวั อยา่ งเช่น การพฒั นาระบบไฟฟ้าเคร่ืองกล ซูเปอร์จิ๋ว การผลิตเซลลแ์ สงอาทิตย์ และเซลลเ์ ช้ือ เพลิง การพฒั นา High-density probe storage device, ไมโครชิพ ของคอมพิวเตอร์ ตวั อยา่ งงานนาโนอิเลก็ ทรอนิกส์ การประดิษฐค์ อมพวิ เตอร์พลงั สูงท่ี ขบั เคลื่อนมาจากพลงั งานในระดบั อะตอม ของหน่วยประมวลผลกลาง (ซีพีย)ู ที่ ใชก้ ระบวนการดา้ นนาโนเทคโนโลยผี ลิต หรือ เรียกกนั วา่ ควอนต้มั คอมพวิ ติง้ (Quantum Computing)

3. วสั ดุนาโน (Nanomaterials) การประยกุ ตใ์ ชน้ าโนเทคโนโลยศี าสตร์ดา้ นนาโนวสั ดุ เช่น การเป็นตวั เร่ง ปฏิกิริยา ในอุตสาหกรรมการพฒั นาฟิ ลม์ พลาสติกนาโนคอมโพสิท ท่ีมี ความสามารถ ในการสกดั ก้นั การผา่ นของก๊าซบางชนิดและไอน้า เพ่อื ใชท้ าบรรจุ ภณั ฑเ์ พ่ือยดื อายคุ วามสดของผกั และผลไม้ และเพิ่มมูลค่าการส่งออก การผลิตผล อนุภาคนาโนมาใชฆ้ ่าเช้ือแบคทีเรีย และไวรัสหรือ ทาใหไ้ ม่เปี ยกน้า การใช้ คาร์บอนนาโนทิล สงั เคราะหเ์ พอ่ื เป็นส่วนผสมของวสั ดุต่างๆ เช่น ตวั ถงั รถ เป็น ตน้ ทาใหป้ ระหยดั พลงั งาน ในดา้ นของการกีฬา กจ็ ะมีไมเ้ ทนนิส ไมแ้ บดมินตนั หรือวา่ ในการใชผ้ ลิตภณั ฑบ์ างอยา่ ง ที่ทาให้ เส้ือผา้ สามารถกนั น้ากนั เป้ื อนดบั กลิ่น เป็นตน้

• นาโนเทคโนโลยกี บั ความปลอดภยั • คุณสมบัติ • ข้นั ตอนท่สี าคญั ในการนา นาโนเทคโนโลยี ไปสู่การผลติ สินค้า • พฒั นาการนาโนเทคโนโลยี - เทคโนโลยแี บบหยาบ (Bulk Technology) - เทคโนโลยรี ะดบั โมเลกลุ (Molecular Technology)

ตวั อย่างงานนาโนเทคโนโลยี การนาไปประยกุ ตใ์ ชเ้ ป็นสีทาบา้ น ลูกเทนนิส Air D-Fense ลูกเทนนิส Air D-Fense กลอ้ งดิจิตอลของโกดกั รุ่น EasyShare LS 633