ວິຊາ นาโนเทคโนโลยเบื้องต้น

เอกสารประกอบการสอน นาโนเทคโนโลยเี บอ้ื งตน้ Introduction to Nanotechnology สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวทิ ยาลัยรดาชรภ.ชัฏอนดุ ิศรธาานี นวนิล สาขาวชิ าฟิสกิ ส์ คณะวทิ ยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 2562



เอกสารประกอบการสอน นาโนเทคโนโลยีเบ้ืองต้น Introduction to Nanotechnology ชนศิ า นวนิล สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวทิ ยาศาสตร์ มหาวิทยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 2562



คำนำ การจัดทาเอกสารประกอบการสอนเล่มนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้สาหรับการศึกษาค้นคว้าทางด้านนาโน เทคโนโลยี และใช้ประกอบการเรียนการสอนในรายวิชานาโนเทคโนโลยีเบ้ืองต้น หลักสูตรวิทยาศาสตรบัณฑิต สาขาวชิ าฟสิ ิกส์ คณะวทิ ยาศาสตร์ มหาวิทยาลยั ราชภฏั อุดรธานี นาโนวิทยาศาสตร์และนาโนเทคโนโลยเี ปน็ การรวบรวมศาสตร์จากทงั้ สาขาเคมี ฟิสิกส์ และ ชีววิทยา เข้า ด้วยกนั ซึ่งเป็นศาสตรท์ นี่ าไปสู่การพัฒนาทางเทคโนโลยีของวัสดุที่ไม่สามารถมีววิ ฒั นาการไดด้ ว้ ยวธิ ีการท่ัวไป โดยมี การนาไปประยุกต์ใช้งานมากมายในโลกปัจจุบัน วสั ดุนาโนสามารถเป็นได้ท้ังวัสดุทางธรรมชาติหรือวิศวกรรม วัสดุ จานวนมากเม่ือถูกลดขนาดจนถึงระดับนาโนจะแสดงสมบัติบางประการท่ีแตกต่างไปจากเดิม ท้ังทางฟิสิกส์ เคมี และชีวภาพ ซ่ึงวัสดนุ าโนเหล่าน้ีมีศักยภาพที่จะเปล่ยี นมมุ มอง การประยุกต์ใช้งาน ตลอดจนสามารถแก้ปัญหาด้าน ต่างๆ ทง้ั ทางด้านเทคโนโลยีและส่ิงแวดล้อมได้ ไมว่ ่าจะเปน็ การใช้งานตัวเรง่ ปฏิกริ ิยา ทางการแพทย์ พลังงาน และ การบาบดั นา้ เสยี เป็นตน้ เอกสารประกอบการสอนเล่มนี้ได้ทาการรวบรวมความรู้เบื้องต้นเก่ียวกับนาโนวิทยาศาสตร์และนาโน เทคโนโลยี โดยอธบิ ายให้เห็นถึงความพเิ ศษเก่ียวกับโลกของนาโนในภาพรวม ตัง้ แต่ประวัติความปน็ มา ตัวอยา่ งวัสดุ นาโนทั้งในธรรมชาติและท่ีมนุษย์สร้างขึ้น ปรากฏการณ์ที่ระดับนาโน การสังเคราะห์วัสดุนาโนและเครื่องมือ วิเคราะห์ การประยุกตใ์ ช้ ตลอดจนความปลอดภยั นาโน โดยผู้เขยี นหวงั เปน็ อยา่ งยง่ิ ว่าจะเปน็ ประโยชนต์ ่อการศกึ ษา ทางด้านนาโนวิทยาศาสตร์และนาโนเทคโนโลยี ตลอดจนเป็นพน้ื ฐานในการนาไปตอ่ ยอดองคค์ วมรู้ใหม่ๆในงานวิจัย ตอ่ ไป ชนศิ า นวนิล มกราคม 2562



สารบญั หนา้ คานา ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………(1) สารบัญ ..................................................................................................................................................................(3) สารบัญรูป ……………………………………………………………………………………………………………………………………………(9) สารบญั ตาราง …………………………………………………………………………………………………………………..(13) แผนบริหารการสอนประจาวชิ า ………………………………………………………………………………………….(15) แผนบรหิ ารการสอนประจาบทท่ี 1 ……………………………………………………………………………………................….1 บทท่ี 1 บทนา ……………………………………………………………………………………………………………..…………………..…....3 1.1 นาโนวทิ ยาศาสตร์และนาโนเทคโนโลยี ………………………………………………………………………………......……3 1.2 ระดบั นาโน ………………………………………………………………………………………………………………………….…...4 1.3 ประวตั ิเบื้องต้นของนาโนวทิ ยาศาสตรแ์ ละนาโนเทคโนโลยี .…………………………………………………………...8 บทสรปุ .……………………………………………………………………………………………………………………………....……...13 แบบฝกึ หดั ท้ายบท .……………………………………………………………………………………………………………………....14 เอกสารอา้ งอิง .……………………………………………………………………………………………………….…………………....15 แผนบริหารการสอนประจาบทท่ี 2 .…………………………………………………………………………..………………………17 บทท่ี 2 นาโนวิทยาศาสตร์ในธรรมชาติ .…………………………………………………………………………..………….…...19 2.1 ดนิ เหนยี ว .……………………………………………………………………………………………………………………..….……19 2.2 คอลลอยด์ธรรมชาติ .………………………………………………………………………..…………….............................21 2.3 กระดกู .…………………………………………………………………………..………………………………………………….....21 2.4 องคป์ ระกอบของสงิ่ มชี ีวติ .…………………………………………………………………………..…………....................22 2.5 ใบบวั .…………………………………………………………………………..……………………………………………….……....23 2.6 เทา้ ตกุ๊ แก .…………………………………………………………………………..……………...........................................24 2.7 ปกี ผีเสือ้ .…………………………………………………………………………..…………….............................................25 2.8 เปลอื กหอยเปา๋ ฮอ้ื .…………………………………………………………………………..………………….…………………..27 2.9 ใยแมงมุม .…………………………………………………………………………..……………...........................................27 2.10 จิงโจ้น้า .…………………………………………………………………………..……………............................................28 บทสรปุ .…………………………………………………………………………..……………....................................................31 แบบฝกึ หัดท้ายบท .…………………………………………………………………………..……………..................................32

(4) สารบญั (ตอ่ ) หน้า เอกสารอา้ งอิง .…………………………………………………………………………..………………………………………………...33 แผนบริหารการสอนประจาบทท่ี 3 .…………………………………………………………………………..……………............35 บทท่ี 3 ปรากฏการณท์ ีร่ ะดับนาโน .…………………………………………………………………………..……………............37 3.1 ฟิสิกส์ที่ระดับนาโน .…………………………………………………………………………..……………............................38 3.2 ปจั จยั ทสี่ ่งผลต่อสมบตั ขิ องวสั ดุนาโน .…………………………………………………………………………..……….……39 3.2.1 การเพ่มิ อตั ราส่วนพน้ื ผวิ ต่อปรมิ าตร .……………………………………………………….…………………..……39 3.2.2 การเคล่อื นทข่ี องโมเลกลุ แบบส่มุ (Random Molecular Motion) .……………………………………….41 3.2.3 การเคลื่อนท่แี บบบราวเนียน (Brownian motion) .…………………………………………………………….41 3.2.4 ทฤษฎีดีแอลวีโอ (DLVO Theory) .…………………………………………………………………………………….42 3.2.5 การกักขงั ควอนตมั (Quantum confinement) .………………………………………………..……………...43 3.2.6 ศักย์ซีต้าและค่าพเี อช (Zeta Potential; ZP and pH) .………………………………………………………..44 3.3 สมบัตขิ องวสั ดุที่ระดบั นาโน .………………………………………………………………………………………………..……46 3.3.1 สมบตั ิพื้นผวิ (Surface properties) .……………………………………………………………………………..….46 3.3.2 สมบตั ิทางความรอ้ น (Thermal properties) .……………………………………………………………………47 3.3.3 สมบตั ิเชิงกล (Mechanical properties) .…………………………………………………………………..……..48 3.3.4 สมบตั ทิ างไฟฟา้ (Electrical properties) .………………………………………………………………………..50 3.3.5 สมบตั ิทางแสง (Optical properties) .………………………………………………………………………………51 3.3.6 สมบตั แิ มเ่ หล็ก (Magnetic properties) .…………………………………………………………………………..54 3.3.7 สมบัติทางชีวภาพ (Biological properties) .……………………………………………………………………..56 บทสรปุ .……………………………………………………………………………..………………………………………………………..58 แบบฝึกหัดท้ายบท .……………………………………………………………………………..………………………………………..59 เอกสารอา้ งองิ .……………………………………………………………………………..………………………………………………61 แผนบรหิ ารการสอนประจาบทท่ี 4 .……………………………………………………………………………..……………………63 บทที่ 4 การสังเคราะหว์ สั ดุนาโน .……………………………………………………………………………..………………………..65 4.1 วธิ ีทางกายภาพ .……………………………………………………………………………..……………………………………….66 4.1.1 การบดยอ่ ย (Ball-milling) .……………………………………………………………………………..………………66 4.1.2 วธิ ีลทิ โธกราฟฟี (Lithography) .……………………………………………………………………………..……….67 4.1.3 การหมุนเหวี่ยง (Spin coating) .…………………………………………………………………………………..….71 4.1.4 การระเหยทางความรอ้ น (Thermal evaporation).………………………………………………………….72

(5) สารบัญ (ต่อ) หนา้ 4.1.5 การเคลือบแบบสปัตเตอรร์ งิ (Sputtering) .………………………………………………………….……………72 4.1.6 การเคลอื บด้วยพลั สเ์ ลเซอร์ (Pulsed Laser Deposition) .………………………………………………….74 4.1.7 อพี แิ ทกซลี ้าโมเลกุล (Molecular beam epitaxy) .……………………………………………………………75 4.2 วิธีทางเคมี .……………………………………………………………………………………………………………………………..75 4.2.1 กระบวนการโซลเจล (Sol-gel) .………………………………………………………………………………………..75 4.2.2 กระบวนการตกตะกอนรว่ ม (Co-precipitation) .………………………………………………………………77 4.2.3 กระบวนการเผาไหม้ (Combustion) .……………………………………………………………………………….78 4.2.4 กระบวนการไฮโดรเทอรม์ อล (Hydrothermal) .………………………………………………………………..79 4.2.5 กระบวนการโซโนเคมี (Sonochemistry) .…………………………………………………………………………80 4.3 วิธที างชวี ภาพ .………………………………………………………………………………………………………………………..82 บทสรปุ .……………………………………………………………………………………………………………………………………….83 แบบฝกึ หดั ท้ายบท .……………………………………………………………………………………………………………………….84 เอกสารอ้างอิง .……………………………………………………………………………………………………………………………..85 แผนบรหิ ารการสอนประจาบทที่ 5 .…………………………………………………………………………………………………..87 บทที่ 5 เครื่องมือวเิ คราะห์ .…………………………………………………………………………………………………………………89 5.1 กลอ้ งจลุ ทรรศน์อเิ ลก็ ตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron Microscope; SEM) .………………..….89 5.2 กลอ้ งจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอโุ มงค์ (Scanning Tunneling Microscope; STM) .………………..….92 5.3 กล้องจลุ ทรรศน์แรงอะตอม (Atomic Force Microscope; AFM) .………………………………………..……..95 5.4 กลอ้ งจลุ ทรรศนอ์ เิ ล็กตรอนแบบสอ่ งผา่ น (Transmission Electron Microscopy; TEM) .………..…….96 5.5 เคร่ืองยูวี-วิซิเบิล สเปคโตรโฟโตมเิ ตอร์ (UV-visible Spectrophotometer) .…………………………..….100 5.6 เคร่ืองวเิ คราะห์การเลี้ยวเบนรังสเี อกซ์ (X-Ray Diffractometer; XRD) .………………………………..…….103 5.7 เครอ่ื งอนิ ฟราเรดสเปกโทรโฟโตมิเตอร์ (Infrared spectrophotometer; IR) .…………………….….……106 5.7.1 ฟเู รียทรานฟอรม์ อินฟราเรดสเปกโทรโฟโตมเิ ตอร์ (Fourier Transform Infrared Spectroscopy; FTIR) .……………………………….……………………………………………………………….106 5.8 เครื่องรามานสเปกโตรมเิ ตอร์ (Raman spectrometer) .………………………………………………………….107 บทสรปุ .…………………………………………………………………………………………………………………………………….110 แบบฝึกหดั ทา้ ยบท .……………………………………………………………………………………………………………………..111 เอกสารอา้ งอิง .……………………………………………………………………………………………………………………………113 แผนบรหิ ารการสอนประจาบทที่ 6 .………………………………………………………………………………………………..115

(6) สารบญั (ตอ่ ) หน้า บทที่ 6 วสั ดุนาโน .………………………………………………………………………………………………………….………117 6.1 วัสดุนาโนโลหะ (Nanometallic materials) .…………………………………………………………………………..117 6.2 วสั ดนุ าโนเซรามกิ (Nanoceramic materials) .………………………………………………………………………118 6.2.1 ไททาเนยี มไดออกไซด์ (Titanium dioxide; TiO2) .…………………………………………………………..118 6.2.2 ซงิ ค์ออกไซด์ (Zinc oxide; ZnO) .…………………………………………………..…………………………….119 6.2.3 อนิ เดยี มทินออกไซด์ (Indium tinoxide; ITO) .……………………………………………………………..…120 6.2.4 ซิลิกาแอโรเจล (Silica aerogels) .…………………………………………………………………………………..121 6.3 วัสดุคารบ์ อน (Carbon-based materials) .……………………………………………………………………………122 6.3.1 ทอ่ นาโนคารบ์ อน (Carbon nanotubes).………………………………………………………………………123 6.4 วัสดุนาโนพอลเิ มอร์ (Nanopolymer materials) .……………………………………………………………….…..124 6.4.1 พอลิเมอร์น้าไฟฟา้ (Conducting polymer) .………………………………………………………………….124 6.4.2 พอลเิ มอร์รว่ มแบบบลอ็ ก (Block copolymers) .……………………………………………………………..125 6.5 วัสดนุ าโนคอมโพสิต (Nanocomposite materials) .………………………………………………………………..126 6.5.1 วสั ดุนาโนเซรามกิ คอมโพสติ (Nanoceramic composite, NCMCs) .…………………………………127 6.5.2 วสั ดุนาโนโลหะคอมโพสติ (Nanometallic composites; NMMCs) .………………………………….128 6.5.3 นาโนพอลิเมอรค์ อมโพสติ (Nanopolymer composites; NPMCs) .………………………………….128 บทสรุป .…………………………………………………………………………………………………………………………………….131 แบบฝึกหัดท้ายบท .……………………………………………………………………………………………………………………..132 เอกสารอ้างอิง .……………………………………………………………………………………………………………………………133 แผนบรหิ ารการสอนประจาบทท่ี 7 ………………………………………………………………………………………………….135 บทท่ี 7 การประยกุ ตใ์ ช้.………………………………………………………………………………………………………….………….137 7.1 การใช้งานวสั ดนุ าโน .……………………………………………………………………….……………………….……………138 7.1.1 ตัวเรง่ ปฏกิ ริ ยิ า (Catalyst) .………………………………………………………….………..………….……………138 7.1.2 ตวั ตรวจจบั (Detector) .………………………………….…..………………………………………………………..138 7.1.3 วัสดยุ ดึ เกาะ (Adhesive) .………………………………………………………………………………………………139 7.1.4 วัสดเุ สริมแรง (Reinforcements) .………………………………………………………………………………….140 7.1.5 โลหะอลั ลอยจา้ รูป (Shape-memory alloys) .………………………………………………………………..140 7.1.6 สารเคลือบนาโน (Nanocoatings) .…………………………………………………………………………………142 7.2 การใช้งานนาโนอิเลก็ ทรอนกิ ส์ .……………………………..………………………….……………………….……………146

(7) สารบัญ (ต่อ) หนา้ 7.2.1 ผลกึ เหลว (Liquid crystals) .………………………………………………………………………………………….146 7.2.2 ผลึกโฟโทนิค (Photonic crystals) .…………………………………….…………………………………………..148 7.2.3 วัสดุพลงั งาน (Energy materials) .………………………………………………………………………………….149 7.3 การใช้งานนาโนเทคโนโลยีชวี ภาพ .…………………………………………………….……………………….……………150 7.3.1 นาโนเทคโนโลยดี เี อ็นเอ (DNA nanotechnology) .………………………………………………………….150 7.3.2 กล้ามเน้ือเทียม (Artificial moving parts) .………………………………………………………………………152 7.3.3 การใชง้ านดา้ นสิ่งแวดลอ้ ม (Environmental applications) .…………………………………………….152 บทสรปุ .…………………………………………………………………………………………………………………………………….154 แบบฝกึ หัดท้ายบท .……………………………………………………………………………………………………………………..155 เอกสารอ้างองิ .………………………………………………………………………………………………………………………......157 แผนบรหิ ารการสอนประจาบทที่ 8 .………………………………………………………………………………………………...159 บทท่ี 8 ความปลอดภยั นาโน.…………………………………………………………………………………………………………….161 8.1 การศึกษาความเป็นพิษของอนุภาคนาโน .…………………………………………………………………………………161 8.2 กระบวนการประเมินความเสยี่ ง .…………………………………………………………………………………………….163 8.2.1 การประเมินความเปน็ อนั ตราย .……………………………………………………………………………………..164 8.2.2 การประเมินระดับการไดร้ บั สัมผสั .………………………………………………………………………………….164 8.2.3 การประเมินความเส่ียง .……………………………………………………………………………………………......165 8.3 แนวทางการควบคุมการได้รับความเสย่ี ง .…………………………………………………………………………………165 8.4 นโยบายความปลอดภัยนาโน .…………………………………………………………………………………………………167 บทสรุป .…………………………………………………………………………………………………………………………………….169 แบบฝึกหดั ท้ายบท .……………………………………………………………………………………………………………………..170 เอกสารอา้ งอิง .……………………………………………………………………………………………………………………………171 บรรณานุกรม .…………………………………………………………………………………………………………………………………….173



สารบญั รูป หน้า รูปท่ี 1.1 แขนงวิชาต่างๆ ในนาโนเทคโนโลยี .……………………………………………………………………………………………..4 รปู ท่ี 1.2 อะตอมของทองขนาดสามอะตอมคร่ึงเรยี งต่อกันเปน็ แถวเทา่ กบั 1 นาโนเมตร .…………………………………5 รปู ท่ี 1.3 การเปรยี บเทียบขนาดในระดับนาโน .…………………………………………………………………………………………..5 รปู ท่ี 1.4 การจดั กลุม่ ของวัสดุนาโน .………………………………………………………………………………….……………………….6 รปู ท่ี 1.5 วัสดนุ าโนสามมติ ิ .……………………………………………………………………………………………………………………….6 รปู ท่ี 1.6 วสั ดนุ าโนสองมติ ิ .………………………………………………………………………………………………………………………..7 รปู ที่ 1.7 วัสดุนาโนหนงึ่ มิติ .………………………………………………………………………………………………………………..……..7 รปู ท่ี 1.8 ผลิตภณั ฑ์นาโนเทคโนโลยีในยคุ โบราณ .……………………………………………………………………………..……..…..9 รูปที่ 1.9 ผู้ริเรมิ่ ทางดา้ นนาโนเทคโนโลยี .……………………………………………………………………………………….…………10 รูปที่ 1.10 การจดั เรียงอะตอมของธาตุซนี อนทีละอะตอมเป็นอกั ษร “IBM” บนแผงโลหะนกิ เกลิ .……………………..11 รูปท่ี 1.11 บัคก้ีบอล (Buckyball) .………………………………………………………………………………….………………………….12 รูปที่ 2.1 ดนิ เหนยี วมอนโมรลิ โลไนต์ (Montmorillonite) .………………………………………………………………………..19 รูปท่ี 2.2 โครงสร้างของดนิ เหนียวมอนโมรลิ โลไนต์ .…………………………………………………………………………………….20 รปู ที่ 2.3 แบบจาลองการพองตวั ของชัน้ เหนียวมอนโมริลโลไนต์ .……………………………………………….…………………20 รปู ที่ 2.4 คอลลอยด์ของนม .…………………………………………………………………………………………….………………………21 รปู ที่ 2.5 โครงสรา้ งของกระดกู .………………………………………………………………………………….………………………….…22 รปู ท่ี 2.6 ภาพจาลองเสน้ ผมของมนษุ ย์ .…………………………………………………………………………….………………………23 รปู ท่ี 2.7 โครงสรา้ งจุลภาคของใบบวั .………………………………………………………………………………….……………………23 รูปที่ 2.8 การทาความสะอาดตัวเองของใบบวั .…………………………………….…………………………….………………………24 รูปที่ 2.9 โครงสรา้ งจุลภาคของเท้าต๊กุ แก .………………………………………………………………………….………………………25 รปู ที่ 2.10 โครงสรา้ งจลุ ภาคของปีกผีเส้ือ .………………………………………………………………………………….……………….26 รปู ที่ 2.11 (ก) ลกั ษณะทวั่ ไป และ (ข) โครงสรา้ งจุลภาคของเปลอื กหอยเปา๋ ฮอื้ .……………………………………………..27 รูปที่ 2.12 ใยแมงมุม .………………………………………………………………………………….…………………………………….………28 รปู ที่ 2.13 แบบจาลองโครงสรา้ งของไฟโบรอนิ เม่อื สขี าวคือไกลซนี สีสม้ คอื อะนิลนี .…………………………………..……28 รูปท่ี 2.14 การเดินบนผวิ น้าของจงิ โจ้น้า .………………………………………………………………………………….………………..29 รูปที่ 2.15 โครงสรา้ งจุลภาคบริเวณขาของจงิ โจน้ า้ .………………………………………………………………………………….…..29 รปู ที่ 3.1 สีของอนภุ าคทองคาท่ขี นาดตา่ งกนั .………………………………………………………………………………….…………37 รปู ท่ี 3.2 ปรากฏการณ์การลอดอโุ มงค์ .………………………………………………………………..………….……………………..…38 รูปที่ 3.3 ความสัมพนั ธร์ ะหว่างขนาดอนุภาคกับสัดส่วนจานวนอะตอมที่พ้ืนผิว (เสน้ สีน้าเงนิ ) และสัดส่วนจานวนอะตอมภายในอนุภาค (เส้นสีแดง) .………………………………………………………………….39 รปู ท่ี 3.4 การเคลอ่ื นท่แี บบบราวเนยี น .……………………………………………….…………………………………….………………41

(10) สารบัญรปู (ตอ่ ) หนา้ รปู ท่ี 3.5 ทฤษฎี DLVO .………………………………………………………………………………….………………………………….……42 รูปที่ 3.6 การกกั ขังควอนตมั ของวสั ดสุ ามมิติ สองมติ ิ หนึง่ มติ ิ และศนู ย์มิติ .…………………..…………………….…………43 รูปที่ 3.7 ช่องว่างแถบพลงั งาน (Band gap) ของวัสดทุ ่ีมขี นาดตา่ งกันในระดบั นาโนเมตร.…………………..…………44 รปู ท่ี 3.8 ศักย์ซตี ้าของอนุภาคที่มีประจพุ น้ื ผวิ เป็นลบ .…………………..………………………………………………….…………45 รปู ที่ 3.9 การเพมิ่ ข้นึ ของพืน้ ท่ผี ิวเมื่อแบง่ ย่อยลูกบาศกป์ รมิ าตร 1 cm3 เปน็ ลูกบาศก์ 1 nm3.…………………..……46 รูปที่ 3.10 อตั ราสว่ นของพ้นื ท่ผี วิ ต่อปริมาตรของอนุภาคท่ีขนาดต่างกัน .…………………..……………………………………47 รูปท่ี 3.11 ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งขนาดของอนุภาคกับจุดหลอมเหลวของอนภุ าคทอง .…………………..……….…………48 รูปท่ี 3.12 กราฟความเคน–ความเครียด (Stress-Strain Curve) .…………………..…………………….………………………..49 รปู ท่ี 3.13 ช่องวา่ งแถบพลงั งานของวัสดุตัวนา กึง่ ตวั นา และฉนวน .…………………..…………….………………….…………50 รูปที่ 3.14 การแยกระดบั ชั้นพลงั งานท่ีขนาดอนภุ าคตา่ งกนั .…………………..…………………….………………………..……51 รปู ท่ี 3.15 ผลของการกักขงั ควอนตมั ทมี่ ตี ่อสขี องวัสดุเมอ่ื อขนาดลดลง .…………………..………………………….………….52 รปู ที่ 3.16 การแสดงสขี องอนภุ าคเงินทม่ี รี ูปร่างและขนาดต่างกัน .…………………..………………………….……….…………53 รูปท่ี 3.17 แบบจาลองโมเมนตแ์ มเ่ หล็กของวัสดุ .…………………..…………………….……………………………………………….54 รปู ท่ี 3.18 วงวนฮิสเทอรีซสิ ของวสั ดุแม่เหลก็ .…………………..…………………….……………………………………………………55 รูปท่ี 3.19 แบบจาลองโมเมนตแ์ มเ่ หล็กของวัสดพุ าราแมกเนตกิ ย่ิงยวด .…………………..………………………….……….…56 รูปที่ 3.20 ดเี อ็นเอเกลยี วคู่ (DNA double helix) .…………………..…………………….………………………………………..…57 รปู ที่ 3.21 โครงสร้างพ้นื ฐานของ (ก) เดนไดรม์ (Dendrimes) และ (ข) ไซโคลเดกตรนิ (Cyclodextrins) ………..…57 รูปท่ี 4.1 เทคโนโลยีการผลิตวัสดุแบบบนลงลา่ ง (Top-down) และลา่ งขนึ้ บน (Bottom-up ..……………..……….…65 รูปที่ 4.2 การบดผสมด้วยลูกบด …………………..…………………….…………………………………….………………………………66 รูปที่ 4.3 เครอื่ งลทิ โธกราฟฟี …………………..…………………….…………………………………………………………………………67 รปู ที่ 4.4 กระบวนการสรา้ งลายวงจรบนชั้นของโครเมียมด้วยเลเซอร์ …………………..………………….……………………68 รูปที่ 4.5 กระบวนการลทิ โธกราฟแี บบใชแ้ สงในการเตรยี มฟิลม์ ออกไซด์ …………………..…………………….…………….68 รปู ที่ 4.6 กระบวนการลิทโธกราฟฟแี บบลาอิเลก็ ตรอน …………………..…………………….………….…………………………69 รปู ที่ 4.7 กระบวนการลทิ โธกราฟีแบบใช้ปลายแหลม …………………..…………………….………………………………………70 รูปท่ี 4.8 กระบวนการลทิ โธกราฟีแบบใช้ช่องว่างนาโน …………………..…………………….…………………………………….70 รปู ท่ี 4.9 กระบวนการหมนุ เหวย่ี ง …………………..…………………….………………………………………………………………….71 รูปท่ี 4.10 (ก) เครอื่ งระเหยสารด้วยความรอ้ น (ข) หลักการทางาน …………………..…………………….………………………72 รปู ที่ 4.11 หลักการสปัตเตอรงิ …………………..…………………….………………………………………………………………………..73 รูปที่ 4.12 ส่วนประกอบของเคร่อื งสปัตเตอรงิ …………………..…………………….………………………………………..…………73 รปู ที่ 4.13 สว่ นประกอบของเคร่ืองพลั สเ์ ลเซอร์ …………………..……………………….………………………………………………74 รูปท่ี 4.14 สว่ นประกอบของเคร่ืองอพี ิแทกซลี าโมเลกลุ …………………..…………………….……………………………………..75

(11) สารบัญรปู (ตอ่ ) หนา้ รูปท่ี 4.15 ขัน้ ตอนต่างๆ ในกระบวนการโซลเจลในการควบคุมสณั ฐานวทิ ยาสดุ ท้ายของผลติ ภณั ฑ์ ……………………76 รูปที่ 4.16 กระบวนการตกตะกอนร่วม …………………..…………………………………..………………………………………………78 รปู ที่ 4.17 กระการบวนการเผาไหม้ …………………..……………………………………….………………………………………………78 รูปที่ 4.18 กระบวนการไฮโดรเทอรม์ อล …………………………………..………………..…….…………………………………………79 รปู ท่ี 4.19 หม้อความดัน …………………..……………………………………………………….………………………………………………80 รูปท่ี 4.20 สว่ นประกอบของเครือ่ งโซโนเคมี …………………..……..…………………….………………………………………………81 รปู ที่ 4.21 หลักการของกระบวนการโซโนเคมี ……………………....…………………….………………………………………………81 รูปที่ 4.22 การสงั เคราะหอ์ นุภาคนาโนจากโปรตนี ของเชือ้ รา …………………..…….………………………………………………82 รปู ท่ี 5.1 โครงสร้างหลักของกล้องจุลทรรศนอ์ เิ ล็กตรอนแบบสอ่ งกราด …………………..…………………….………………90 รูปท่ี 5.2 กล้องจุลทรรศน์อเิ ล็กตรอนแบบส่องกราด …………………..…………………….…………………………………………91 รปู ท่ี 5.3 การเกดิ รงั สีเอกซต์ ่อเนอ่ื งและรังสเี อกซเ์ ฉพาะธาตุ …………………..…………………….……………………………..92 รูปท่ี 5.4 กลอ้ งจลุ ทรรศน์แบบสอ่ งกราดในอโุ มงค์ …………………..…………………….……………………………………………93 รูปท่ี 5.5 สว่ นประกอบของกลอ้ งจลุ ทรรศนแ์ บบสอ่ งกราดในอุโมงค์ …………………..…………………….…………………..93 รปู ท่ี 5.6 กลอ้ งจลุ ทรรศน์แบบส่องกราดในอโุ มงค์ (ก) โหมดความสงู คงท่ี (ข) โหมดกระแสคงที่ ………….…………..94 รปู ท่ี 5.7 กระแสทะลุผ่าน (Tunneling current) …………………..…………………….…………………….………………………95 รูปท่ี 5.8 (ซ้าย) กล้องจลุ ทรรศน์แรงอะตอม (ขวา) ภาพ 3 มิติจากกลอ้ งจลุ ทรรศนแ์ รงอะตอม………….………………96 รปู ท่ี 5.9 หลกั การทางานของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม …………………..…………………….…………………….…………..96 รปู ที่ 5.10 กลอ้ งจุลทรรศนอ์ ิเล็กตรอนแบบสอ่ งผา่ น …………………..…………………….…………………….……………………97 รปู ท่ี 5.11 ส่วนประกอบของกล้องจลุ ทรรศนอ์ ิเล็กตรอนแบบส่องผา่ น …………………..…………………….………………..98 รูปที่ 5.12 ภาพไบรต์ฟิลดแ์ สดงคอนทราสตม์ วลและความหนาของวสั ดทุ ่แี ตกต่างกันของฐานรองรบั ซลิ คิ อน ฟลิ ม์ คาร์บอน และผิวเคลือบแพลทินัม …………………..…………………….…………………….…………100 รูปท่ี 5.13 เปรียบเทยี บการเพ่มิ ดฟิ แฟรกชนั คอนทราสตโ์ ดยใชอ้ อบเจกทฟี อะเพอเจอร์ …………………..……………..100 รูปที่ 5.14 เครอื่ งยูวี-วซิ เิ บิลสเปคโตรโฟโตมิเตอร์ (UV-visible Spectrophotometer) …………………..…………….101 รปู ที่ 5.15 กฎของเบยี ร์แลมเบิรด์ (Beer-Lambert) …………………..…………………….…………………….………………….101 รปู ที่ 5.16 หลกั การทางานของเครื่องยวู -ี วิซิเบิลสเปคโตรโฟโตมิเตอร์ …………………..…………………….………….…….102 รปู ท่ี 5.17 การเลี้ยวเบนของรังสเี อกซจ์ ากระนาบในผลึกตามกฎของแบรกก์ (Bragg’s law) …………………..……….104 รปู ที่ 5.18 การเลี้ยวเบนของรงั สเี อกซ์จากระนาบในกรณคี ลนื่ แทรกสอดแบบเสริมกันและแบบหักล้างกนั ………..104 รปู ท่ี 5.19 รปู แบบการเลีย้ วเบนของรังสีเอกซ์ …………………..…………………….…………………….…………………………..105 รูปที่ 5.20 แผนผังการทางานของเคร่อื ง FTIR …………………..…………………….…………………….……………………………106 รูปที่ 5.21 กราฟความสมั พันธ์ระหว่างความเขม้ แสงอนิ ฟราเรดท่ีทะลผุ า่ นสารตัวอยา่ งกบั เลขคลนื่ …………..……..107 รปู ท่ี 5.22 การกระเจิงของแสงทต่ี กกระทบวตั ถุ …………………..…………………….……………….…….……………………….108

(12) สารบัญรปู (ตอ่ ) หนา้ รูปท่ี 5.23 เปรยี บเทยี บสเปคตรัม FTIR และ Raman ของพอลสิ ไตรนี …………………..…………………….……………….108 รปู ท่ี 6.1 อนภุ าคทองคาท่ีมีขนาดลดลงในระดบั นาโน …………………..….….…………………….……………………………..117 รูปท่ี 6.2 โครงสร้างของไททาเนียมไดออกไซด์ …………………..……………….…………………….……………………………..119 รปู ที่ 6.3 ตัวอย่างโครงสรา้ งนาโนรูปแบบต่างๆของซิงค์ออกไซด์ (ZnO) …………………..…………………….……………120 รูปท่ี 6.4 โครงสรา้ งจุลภาคของซลิ กิ าแอโรเจล …………………..…………………….…………………….…………………………121 รปู ท่ี 6.5 โครงสร้างต่าง ๆ ของคารบ์ อน …………………..…………………….…………………….………………………………….122 รูปท่ี 6.6 ท่อนาโนคารบ์ อน (ก) แบบผนังเดีย่ ว (Single-wall nanotubes; SWNTs) (ข) แบบหลายผนงั (Multi-wall nanotubes; MWNTs) …………………..…………………………………..……….……………………...123 รูปที่ 6.7 แผนภาพพอลิเมอรร์ ่วมแบบบลอ็ กเชิงเสน้ รูปแบบตา่ งๆ …………………..…………………….…………………….125 รูปท่ี 6.8 แผนภาพจาลองการเกดิ ไมเซลล์พอลเิ มอร์รว่ มแบบบลอ็ ก (Block copolymer micelles) ……………..126 รูปท่ี 6.9 แผนภาพจาลองไมเซลล์ (Micelles) แบบต่างๆ …………………..…………………….…………………….………..126 รปู ท่ี 7.1 ขอบเขตท่สี าคญั บางสว่ นของการประยุกตใ์ ช้เทคโนโลยีนาโน ………………………………………….……………128 รูปที่ 7.2 เทปตีนตุ๊กแก …………………..………………………………………..…….…………………….……………………………….129 รูปท่ี 7.3 การทดสอบการยดึ เกาะของเทปต๊กุ แก …………………..………………….……………….……………………………..129 รปู ท่ี 7.4 แผนภาพจาลองการทาความสะอาดตวั เองของเทปตุ๊กแก ……….…………………….……………………………..140 รปู ที่ 7.5 โครงสรา้ งผลกึ ของโลหะจารูปทส่ี ัมพนั ธ์กับความเคน้ และอุณหภูมิ ………………….……………………………..141 รูปท่ี 7.6 การใชง้ านลวดนิตินอล (Nitinol) ในการผลติ แว่นตาจารปู และการจดั ฟนั ………….…………………………..141 รูปท่ี 7.7 กระจกอิเลก็ โตรโครมิก …………………..…………………………….…….…………………….……………………………..143 รูปท่ี 7.8 กระจกโฟโตโครมิก …………………..…………………….…………………………………….….……………………………..144 รูปท่ี 7.9 กระจกเคลอื บแบบชอบนา้ ย่งิ ยวด …………………..…………………….…………………….……..……………………..145 รปู ท่ี 7.10 กระจกเคลอื บแบบไมช่ อบน้าย่ิงยวด …………………..…………………….………….…….……………………………..146 รูปที่ 7.11 จอภาพแอลอีดี …………………..…………………………………….……….…………………….……………………………..147 รปู ท่ี 7.12 แผงวงจรผลึกโฟโตนิก …………………..………………………………..….…………………….……………………………..148 รูปท่ี 7.13 เซลล์แสงอาทติ ยเ์ ลยี นแบบกลไกระดบั นาโนของธรรมชาตใิ นการสงั เคราะห์แสง …………………..………..149 รูปที่ 7.14 กระบวนการดีเอ็นเอออริกามิ (DNA origami technology) …………………..…………………….…………….150 รปู ท่ี 7.15 การออกแบบการพบั ดีเอน็ เอ (DNA origami design) ของโครงสร้างรปู รา่ งปลาโลมา ……………………..151 รูปท่ี 7.16 กลอ่ งดีเอน็ เอสามมติ ิ ……………………………….…..…………………….…………………….……………………………..151 รปู ท่ี 7.17 การใชน้ าโนเทคโนโลยีทางการแพทยใ์ นการปลดปลอ่ ยยา …………………………….……………………………..151 รูปท่ี 7.18 กล้ามเนือ้ เทียม …………………..……………………..………………….…………………….………………………………….152 รูปที่ 7.19 การตา้ นเชอื้ แบคทีเรยี ของอนภุ าคนาโนเงนิ (ซ้าย) และการประยกุ ต์ใช้ (ขวา) …………………………………153 รปู ท่ี 8.1 ชดุ สง่ ผ่านอากาศ (Powered Air Purifying Respirator; PAPR) …………………………………………………..167

สารบัญตาราง หนา้ ตารางท่ี 2.1 ตวั อยา่ งของวัสดุไบโอมิเมติก …………………………………………………………………………………………………..30 ตารางท่ี 3.1 จานวนอะตอมในแต่ละชน้ั และสัดสว่ นจานวนอะตอมทีพ่ นื้ ผวิ ของอนภุ าค ………………….………………..40 ตารางท่ี 8.1 ตวั อย่างความเป็นพษิ ของอนุภาคนาโน …………………………………………………………………………………..162



แผนบริหารการสอนประจาวิชา ชื่อสถาบันอดุ มศกึ ษา มหาวิทยาลยั ราชภัฏอุดรธานี คณะ/ภาควชิ า/สาขาวชิ า คณะวทิ ยาศาสตร์ สาขาวิชาฟสิ ิกส์ หมวดที่ 1 ขอ้ มลู ทว่ั ไป 1. รหสั และชอ่ื รายวิชา PY05305 นาโนเทคโนโลยีเบื้องตน้ (Introduction to Nanotechnology) 2. จานวนหนว่ ยกิต 3(3-0-6)จานวน 3 หนว่ ยกิต 3. หลักสตู รและประเภทของรายวิชา หลักสตู รวทิ ยาศาสตรบณั ฑิต สาขาวชิ าฟสิ กิ ส์ หมวดวิชาเลอื กเฉพาะด้าน 4. อาจารย์ผรู้ บั ผดิ ชอบรายวิชา ดร.ชนศิ า นวนลิ 5. ภาคการศึกษา/ช้ันปีท่ีเรยี น ภาคการศึกษาท่ี 2 ช้ันปที ี่ 3 6. รายวิชาท่ีตอ้ งเรียนมากอ่ น (Pre-requisite) ไมม่ ี 7. รายวิชาทตี่ อ้ งเรยี นพรอ้ มกัน (Co-requisite) ไม่มี 8. สถานทเี่ รยี น คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี ศนู ยส์ ามพรา้ ว 9. วันทีจ่ ดั ทาหรอื ปรับปรุงรายละเอียดของรายวิชาครั้งลา่ สุด 3 มกราคม 2562

(16) หมวดท่ี 2 จดุ มงุ่ หมายและวัตถุประสงค์ 1. จดุ มุ่งหมายของรายวิชา 1.1 เพอ่ื ใหน้ กั ศึกษามีความรเู้ กยี่ วกับขอบข่าย กฎเกณฑ์และรายละเอยี ดของวิชานาโนวิทยาศาสตร์และนาโน เทคโนโลยเี บ้ืองต้น 1.2 เพื่อให้สามารถอธิบายความหมายและหลกั การเบ้ืองต้นเก่ียวกบั เนอ้ื หาวชิ านาโนวทิ ยาศาสตรแ์ ละนาโน เทคโนโลยีเบือ้ งต้นตามคาอธิบายรายวิชา 1.3 เพือ่ ใหส้ ามารถนาความรไู้ ปใช้ประโยชนใ์ นชีวติ ประจาวันและเปน็ พืน้ ฐานในการศกึ ษาขั้นสูงต่อไป 2. วัตถุประสงคใ์ นการพัฒนา/ปรับปรงุ รายวชิ า เพอื่ ให้ผู้เรียนมคี วามรู้ ความเข้าใจ ในเรือ่ งของนาโนวทิ ยาศาสตรแ์ ละนาโนเทคโนโลยีเบ้อื งตน้ ตลอดจน สามารถนาความรทู้ ไี่ ดร้ ับไปใช้ใหเ้ กิดประโยชนไ์ ด้ โดยแยกเป็นประเดน็ ไดด้ ังนี้ 2.1 เพื่อใหน้ กั ศกึ ษามคี วามร้คู วามเข้าใจ ในเร่ืองของนาโนวทิ ยาศาสตรแ์ ละนาโนเทคโนโลยเี บ้ืองต้น 2.2 เพ่ือใหน้ ักศกึ ษาสามารถนาความรทู้ างนาโนวทิ ยาศาสตร์และนาโนเทคโนโลยมี าใชใ้ ห้เกิดประโยชน์ได้ 2.3 เพ่ือให้นักศึกษาสามารถปรับตัวเข้ากับสังคมยุคปัจจุบันที่วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีได้เข้ามามีบทบาท อย่างมากในชวี ติ และสามารถใช้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยใี ห้เกิดประโยชน์สูงสดุ หมวดท่ี 3 ลักษณะและการดาเนินการ 1. คาอธบิ ายรายวิชา หลกั การของนาโนวิทยาศาสตร์และนาโนเทคโนโลยี กระบวนการสงั เคราะห์ การศึกษาคณุ ลกั ษณะและการ ทดสอบทางด้านนาโนเทคโนโลยี การจาแนกวสั ดนุ าโนและคณุ สมบตั เิ บือ้ งต้น ผลติ ภณั ฑ์ทางดา้ นนาโน เทคโนโลยีของภาคอุตสาหกรรมในปจั จุบนั การประยกุ ตท์ างด้านนาโนอเิ ล็กทรอนกิ ส์ นาโนทคโนโลยชี ีวภาพ และนาโนเทคโนโลยที างการแพทย์ 2. จานวนช่วั โมงทใ่ี ชต้ ่อภาคการศกึ ษา บรรยาย สอนเสรมิ การฝกึ ปฏิบัติ/ การศึกษาดว้ ยตนเอง งานภาคสนาม/การฝึกงาน 3 ช่ัวโมงตอ่ สัปดาห์ หรือ ตามความต้องการของ - 6 ชวั่ โมงต่อสปั ดาห์ 45 ชั่วโมงต่อภาคการ นักศกึ ษา ศึกษา 3. จานวนช่ัวโมงต่อสปั ดาห์ที่อาจารยใ์ หค้ าปรกึ ษาและแนะนาทางวิชาการแก่นักศกึ ษาเปน็ รายบคุ คล อาจารยจ์ ัดเวลาให้คาปรกึ ษาเป็นรายบุคคล หรอื รายกลมุ่ ตามความตอ้ งการ 2 ชวั่ โมงต่อสปั ดาห์ (เฉพาะนักศึกษาทตี่ อ้ งการ)

(17) รายวิชา อ.ผู้สอน วัน เวลาให้ สถานท/่ี หมายเลข E-mail รวม คาปรกึ ษา หอ้ ง โทรศพั ท์ PY05305 ผ้สู อน ผสู้ อน ช่ัวโมง/ นาโน เทคโนโลยี สัปดาห์ เบื้องต้น ดร. วันพุธ เวลา ห้องพัก 084- c.nawanil 2 ช่วั โมง ชนิศา 13.00 – อาจารย์ 6694115 @gmail.com นวนิล 15.00 น. สาขาวชิ า ฟิสกิ ส์ หมวดที่ 4 การพัฒนาผลการเรยี นรู้ของนกั ศึกษา 1. คณุ ธรรม จรยิ ธรรม 1.1 ผลการเรียนรู้ 1.2 กลยทุ ธ์/วิธีการสอน 1.3 กลยุทธ/์ วิธีประเมนิ ผล 1[•] มีคุณธรรมจริยธรรม มีวินัย - ปลูกฝงั ใหน้ กั ศึกษามรี ะเบยี บ - ประเมนิ จากการตรงต่อเวลาของ ตรงต่อเวลา และความรับผิดชอบ วินยั โดยเนน้ การเข้าชนั้ เรยี นให้ นักศึกษาใรการเขา้ ชนั้ เรยี น ต่อตนเองและสังคม ตรงตอ่ เวลา - การมอบหมายงานให้นกั ศึกษาส่ง - ประเมินผลจากการสง่ งานที่ไดร้ บั ตามระยะเวลาที่กาหนด มอบหมายตามระยะเวลาที่ กาหนดและตรงเวลา - การแต่งกายทเี่ ป็นไปตาม - ประเมินผลจากการแตง่ กายของ ระเบยี บของมหาวทิ ยาลยั ราชภฏั นกั ศกึ ษาในชนั้ เรยี น อุดรธานี 2[ ] มีภาวะความเป็นผู้นาและผู้ ตาม สามารถทางานเป็นทีมและ สามารถแก้ไขข้อขัดแย้งและลาดับ ความสาคัญ 3[ ] เคารพสิทธิและรับฟังความ คิดเห็นของผู้อ่ืน รวมท้ังเคารพใน คุณค่าและศักด์ิศรีของความเป็น มนษุ ย์ 4[ ] มีจรรยาบรรณทางวิชาการ และวชิ าชพี

(18) 2. ความรู้ 2.1 ผลการเรยี นรู้ 2.2 กลยทุ ธ์/วิธกี ารสอน 2.3 กลยทุ ธ์/วธิ ีประเมินผล - ประเมนิ ใหค้ ะแนนจากงานกลุ่ม 1[•] มคี วามรู้ในหลักการและทฤษฎี - บรรยายในชน้ั เรยี น นาเสนอหน้าช้นั เรยี น ทางด้านนาโนวิทยาศาสตร์และนา - งานกลมุ่ นาเสนอหนา้ ชนั้ เรยี น - การสอบกลางภาค - การสอบปลายภาค โนเทคโนโลยีเบือ้ งตน้ 2[•] มีความรู้พื้นฐานทางวิทยา ศาสตร์ และคณิตศาสตร์ และ สามารถนามาบูรณาการในวิชานา โนวิทยาศาสตรแ์ ละนาโนเทคโนโลยี เบอ้ื งตน้ ได้ 3[ ] สามารถติดตามความก้าวหน้า ทางวชิ าการดา้ นนาโนเทคโนโลยี 4[ ] มคี วามรอบรู้ในศาสตร์ต่างๆ ที่ จะนาไปใชใ้ นชีวติ ประจาวัน 3. ทักษะทางปัญญา 3.1 ผลการเรียนรู้ 3.2 กลยุทธ์/วธิ ีการสอน 3.3 กลยทุ ธ์/วธิ ปี ระเมินผล 1[•]สามารถคิดวิเคราะห์อย่างเป็น - เนน้ การสอนท่กี ระต้นุ ให้ - การสอบวดั ความสามารถในการ ระบบ และมีเหตุมีผล ตามวิธีการ นักศกึ ษาคิดวเิ คราะห์ ร่วม คดิ แกไ้ ขปญั หาตามลาดับ ทางวิทยาศาสตร์ อภิปรายปญั หาต่างๆ กับ ข้ันตอนในหลกั การการวิจยั ทาง อาจารย์ ตลอดจนให้นกั ศึกษา วทิ ยาศาสตร์ ศกึ ษาคน้ คว้าดว้ ยตนเอง และ - การประเมินจากการอภปิ รายใน จัดทากรณศี กึ ษาภายใตก้ าร ชั้นเรียน และรายงานจาก แนะนาของอาจารย์ โดยการลง กรณีศึกษา พนื้ ทจ่ี ริงเพอื่ สารวจปญั หาและ วิเคราะหห์ าแนวทางแก้ไขปัญหา 2[•] นาความรู้ทางนาโนวิทยา ศาสตร์ และนาโนเทคโนโลยีเบ้ือง ต้นไปประยุกต์ใช้กับสถานการณ์ ต่าง ๆ ได้อย่างถูกต้องและเหมาะ สม 2[ ] มีความใฝ่รู้ สามารถวิเคราะห์ และสังเคราะห์ความรู้จากแหล่ง ตา่ งๆ ท่ีหลากหลายได้อย่างถูกตอ้ ง

(19) เ พื่ อ ก า ร น า ไ ป สู่ ก า ร ส ร้ า ง ส ร ร ค์ นวตั กรรม 4. ทกั ษะความสมั พันธร์ ะหวา่ งบุคคลและความรบั ผดิ ชอบ 4.1 ผลการเรยี นรู้ 4.2 กลยุทธ์/วิธีการสอน 4.3 กลยทุ ธ์/วิธปี ระเมินผล - ประเมนิ จากพฤตกิ รรมและการ 1[ ] มีภาวะผู้นา โดยสามารถ - จดั กิจกรรมการเรยี นการสอนที่มี แสดงออกของนักศกึ ษาใน ทางานร่วมกับผู้อื่นในฐานะผู้นา ปฏสิ มั พันธร์ ะหว่างผเู้ รียนกบั คน กจิ กรรมที่ทารว่ มกนั - ประเมินจากการสง่ งานท่ีไดร้ ับ และสมาชกิ ทด่ี ี ในชุมชนงานกลมุ่ นาเสนอหนา้ มอบหมายตรงตามท่กี าหนด ชั้นเรียน 2[•] มีความรับผิดชอบต่อสังคม และองค์กร 3[ ] สามารถปรับตัวให้เข้ากับ สถานการณ์ และวัฒนธรรมองค์กร 5. ทกั ษะการวเิ คราะหเ์ ชงิ ตวั เลข การสื่อสารและการใชเ้ ทคโนโลยสี ารสนเทศ 5.1 ผลการเรยี นรู้ 5.2 กลยุทธ/์ วธิ ีการสอน 5.3 กลยทุ ธ์/วิธีประเมินผล 1[•] สามารถประยุกต์ความรู้ทาง - จัดทาสือ่ สารสนเทศ - ประเมินจากการนาเสนอ คณิตศาสตร์และสถิติ เพื่อการ - ใหน้ กั ศกึ ษานาเสนองานโดยใช้ รายงานทมี่ กี ารใชค้ ณติ ศาสตร์ วิเคราะห์ประมวลผลการแก้ปัญหา สอ่ื สารสนเทศต่างๆ และสถติ ิในการวิเคราะหข์ ้อมูล และนาเสนอ ไดอ้ ยา่ งเหมาะสม 2[ ] มีทักษะในการส่ือสารภาษา - ประเมินจากกจิ กรรมตา่ ง ๆ ทีม่ ี ไทย ไดอ้ ยา่ งมปี ระสิทธภิ าพ รวมท้ัง การนาเสนอโดยใชเ้ ทคโนโลยี การเลือกรูปแบบการส่ือสารได้ สารสนเทศ อย่างเหมาะสม 3[ ] ทักษะและความรูภ้ าษาอังกฤษ เพือ่ การค้นควา้ ไดด้ ี 4[ ] สามารถใช้เทคโนโลยีสาร สนเทศในการเก็บรวมรวบ สืบค้น และนาเส นอข้อมูล ได้อย่างมี ประสิทธิภาพและเหมาะสมกับ สถานการณ์

(20) หมวดท่ี 5 แผนการสอนและการประเมนิ ผล 1. แผนการสอน 16 สัปดาห์ ชม.สอน/สัปดาห์ กิจกรรมการสอน สอ่ื ทใี่ ช้ในการ อ.ผูส้ อน อ.ชนิศา สัปดาห์ หวั ขอ้ /รายละเอียด ทฤษฎี ปฏิบัติ สอน ท่ี 1 บทนา 3 0 บรรยาย ซักถาม Power point 2 ความหมายและความสาคัญ 3 0 บรรยาย ซกั ถาม Power point อ.ชนิศา ของนาโนเทคโนโลยี 3 หลกั วทิ ยาศาสตรพ์ ้นื ฐานที่ 3 0 บรรยาย ซกั ถาม Power point อ.ชนิศา เกย่ี วข้องกับนาโนเทคโนโลยี 4 วัสดนุ าโนในธรรมชาติ 3 0 บรรยาย ซักถาม Power point อ.ชนศิ า 5 โครงสรา้ งและพลงั งานที่ระดับ 3 0 บรรยาย ซักถาม Power point อ.ชนศิ า นาโน 3 0 บรรยาย ซักถาม Power point อ.ชนศิ า 3 0 อ.ชนศิ า 6 สมบตั ิของวัสดุทีเ่ ปลย่ี นแปลง จากผลของสารระดับนาโน 7 สอบกลางภาค 8 การสร้างและสังเคราะหว์ สั ดนุ า 3 0 บรรยาย ซกั ถาม Power point อ.ชนศิ า โน 0 บรรยาย ซักถาม Power point อ.ชนิศา 9 เคร่อื งมือวเิ คราะหว์ สั ดนุ าโน 3 10 วสั ดุนาโนและนาโนคารบ์ อน 3 0 บรรยาย ซักถาม Power point อ.ชนิศา 11 นาโนคอมโพสิต 3 0 บรรยาย ซักถาม Power point อ.ชนิศา 12 การประยกุ ต์ใชง้ านและความ 3 0 บรรยาย ซกั ถาม Power point อ.ชนิศา ปลอดภยั ทางด้านนาโน เทคโนโลยี 13 การประยกุ ตใ์ ช้งานนาโน 0 3 ลงพนื้ ทีช่ มุ ชนเพ่อื พน้ื ทีจ่ ริง อ.ชนศิ า เทคโนโลยีกับชมุ ชน สารวจปญั หา 14 การประยกุ ต์ใชง้ านนาโน 3 0 สรปุ ปญั หาและ Power point อ.ชนิศา เทคโนโลยกี ับชมุ ชน แนวทางการแก้ไข

(21) 15 นาเสนอปัญหาและแนว ท่ีเกิดจากการลง ทางแก้ไขจากการลงชุมชน ชุมชน 3 0 นาเสนอ ซกั ถาม Power point อ.ชนิศา 16 สอบปลายภาค 30 อ.ชนิศา 2. แผนการประเมนิ ผลการรียนรู้ ผลการเรยี นรทู้ เ่ี กย่ี วข้อง กจิ กรรมการประเมนิ สัปดาห์ที่ประเมนิ สดั ส่วนของการ ประเมิน 1.1[1] การเขา้ ชน้ั เรยี นและการ ทกุ สัปดาห์ 10 3.1[1] [2] 4.1[2] 5.1[1] ตรงตอ่ เวลา 30 2.1[1] 3.1[1] 5.1[1] การมอบหมายงานกลุม่ 13-15 10 2.1[1] 3.1[1] 5.1[1] 20 2.1[1] 3.1[1] 5.1[1] รายงานหนา้ ช้นั 30 สอบเกบ็ คะแนน 3,12 การสอบกลางภาค 7 การสอบปลายภาค 16 หมวดที่ 6 ทรพั ยากรประกอบการเรยี นการสอน 1. ตาราและเอกสารหลัก นาโนเทคโนโลยีเบอ้ื งตน้ เรยี บเรยี งโดย ดร.ชนศิ า นวนลิ (2562) 2.เอกสารและข้อมูลสาคญั Schaming, D., & Remita, H. (2015). Nanotechnology: from the ancient time to nowadays. Foundations of Chemistry, 17(3), 187. Ganachari, S.V., Banapurmath, N.R., Salimath, B., Yaradoddi, J.S., Shettar, A.S., Hunashyal, A.M., et al. (2018). Synthesis Techniques for Preparation of Nanomaterials. In Martínez L.M.T., et al. (Eds.). Handbook of Ecomaterials. Springer International Publishing AG. Retrieved November 20, 2019, from https://doi.org/10.1007/978-3-319-48281-1_149-1 Rajput, N. (2015). Methods of preparation of nanoparticles– A review. International Journal of Advances in Engineering & Technology, 7(4), 1806-1811.

(22) Dhand, C., Dwivedi, N., Loh, X.J., Ying, A.N., Verma, N.K., Beuerman, R.W., Lakshminarayanan, R., & Ramakrishna, S. (2015). Methods and strategies for the synthesis of diverse nanoparticles and their applications: a comprehensive overview. RSC Advances, 5, 105003–105037. Tarafdar, J.C., & Adhikari, T. (2015). Nanotechnology in Soil Science. In book: Soil Science: An Introduction., Chapter: Nanotechnology in Soil Science., Rattan, R. K., et al. (Eds), pp.775-807. Retrieved 20 November, 2019 from https://www.researchgate.net/publication/292539409 Edvinsson, T. (2018). Optical quantum confinement and photocatalytic properties in two-, one- and zero-dimensional nanostructures. Royal Society Open Science, 5, 180387. หมวดที่ 7 การประเมนิ และปรบั ปรุงการดาเนินการของรายวชิ า 1. กลยทุ ธก์ ารประเมนิ ประสิทธผิ ลของรายวิชาโดยนกั ศึกษา ให้นักศึกษาประเมินประสิทธิผลของรายวิชา โดยใช้แบบประเมินของมหาวิทยาลัยในด้านวิธีการสอนสื่อ ประกอบการสอน กิจกรรมการเรียนการสอน และส่ิงสนับสนุนการเรียนการสอนอื่นๆ ซ่ึงมีผลกระทบต่อผล การเรยี นรู้ของนสิ ติ ตามท่ีรายวิชาน้ีต้องรับผดิ ชอบ 2. กลยุทธก์ ารประเมนิ การสอน ประเมินตามระบบและกลไกท่ีมหาวิทยาลัยกาหนด อย่างใดอย่างหน่ึงหรือหลายอย่าง เช่น การเชิญผู้มี ประสบการณ์ในคณะหรอื สาขาวชิ าให้มาสังเกตการสอนพร้อมให้ขอ้ เสนอแนะ นอกจากน้ีอาจประเมินจากการ ทดสอบย่อยวา่ นักศกึ ษามีความเขา้ ใจในเนื้อหาท่สี อนมากน้อยเพยี งใด 3. การปรับปรุงการสอน สาขาวิชาได้กาหนดกลไกในการปรับปรุงการสอน โดยทุกรายวิชาต้องดาเนินการท้ังข้อ 1 และข้อ 2 แล้วนา ข้อเสนอแนะมาใช้ในการปรับปรุงวิธีการสอน หรือปรับปรุงสื่อ หรือกิจกรรมท่ีจะสามารถทาให้นิสิตมีความ เข้าใจในเนือ้ หาได้ดีขึ้น นอกจากน้ีผลจากการทดสอบยอ่ ย หรือการสอบกลางภาคเรยี น ก็สามารถสะท้อนถึง กระบวนการจัดการเรียนการสอนว่าสามารถทาให้นิสิตมีความเข้าใจหรือไม่ โดยสรุปคือ มีการวิจัยเพื่อ พัฒนาการเรียนการสอน 4. การทวนสอบมาตรฐานสมั ฤทธิข์ องนักศึกษาในรายวิชา เพื่อเป็นการยืนยันว่านักศึกษามีมาตรฐานผลสัมฤทธิ์เป็นไปตามที่กาหนดในหลักสูตร โดยรายวิชานี้ต้อง รับผิดชอบผลการเรียนรู้ ทั้งความรับผิดชอบหลัก 8 ข้อ และความรับผิดชอบรอง 11 ข้อ รายวิชานี้จะ ดาเนินการทวนสอบตามกลไกของคณะในเฉพาะสว่ นทีเ่ ก่ยี วกับการทวนสอบจากคะแนนขอ้ สอบ และคะแนน ที่กาหนดตามแผนการประเมนิ

(23) 5. การดาเนินการทบทวนและการวางแผนปรับปรงุ ประสทิ ธิผลของรายวชิ า สาขาวิชาไดม้ ีการกาหนดให้มีการทบทวนประสิทธิผลของรายวิชา โดยพจิ ารณาจากผลการประเมินการสอน โดยนักศึกษา ผลการประเมินโดยผู้มีประสบการณ์ ตลอดจนติดตามจากการไปประกอบอาชีพของบัณฑิตว่า รายวชิ านม้ี ีประโยชน์หรือมีประสิทธิผลมากพอสาหรบั หลักสูตรหรือไม่ แลว้ นาผลทั้งหมดมาเป็นข้อเสนอหรือ เปน็ แนวทางสาหรบั การปรบั ปรงุ หลักสูตร เมือ่ หลักสูตรใชค้ รบรอบทตี่ ้องปรับปรุง



แผนบริหารการสอนประจาบทท่ี 1 หวั ขอ้ เนือ้ หา บทนำ 1.1 นำโนวิทยำศำสตรแ์ ละนำโนเทคโนโลยี 1.2 ระดบั นำโน 1.3 ประวตั ิเบ้ืองต้นของนำโนวทิ ยำศำสตร์และนำโนเทคโนโลยี วตั ถปุ ระสงคเ์ ชงิ พฤติกรรม เมอ่ื ผ้เู รียน เรยี นจบบทนแ้ี ล้วผ้เู รยี นควรมีควำมร้แู ละทักษะดังนี้ 1. มีควำมเขำ้ ใจนำโนวิทยำศำสตร์และนำโนเทคโนโลยี 2. มคี วำมเขำ้ ใจขนำดในระดับนำโน 3. มีควำมเขำ้ ใจถึงประวัติศำสตรข์ องนำโนเทคโนโลยี วธิ ีสอนและกจิ กรรมการเรยี นการสอนประจาบท 1. บรรยำยเนื้อหำในแต่ละหวั ขอ้ พร้อมยกตัวอย่ำงประกอบ 2. ศึกษำเอกสำรประกอบกำรสอน 3. ผูส้ อนสรุปเนอ้ื หำ 4. ผ้สู อนทำกำรซักถำม สอ่ื การเรยี นการสอน 1. เอกสำรประกอบกำรสอนวชิ ำนำโนเทคโนโลยเี บือ้ งตน้ 2. Power Point การวัดผลและประเมนิ ผล 1. ประเมนิ จำกกำรซักถำมในชน้ั เรียน 2. ประเมินจำกกำรทำแบบฝกึ หดั ทบทวนทำ้ ยบทเรียน 3. ประเมนิ จำกกำรสอบกลำงภำค



บทที่ 1 บทนำ (Introduction) ======================================================================== ในบทนำนี้จะกล่ำวถึงนิยำมของนำโนวิทยำศำสตร์ นำโนเทคโนโลยี และระดับนำโน ตลอดจนประวตั ิควำม เป็นมำโดยสังเขป โดยอธิบำยให้เห็นถึงควำมพิเศษเกี่ยวกับโลกของนำโนในภำพรวมว่ำเหตุใดพื้นที่ใหม่ของ วทิ ยำศำสตรแ์ ละเทคโนโลยีในระดบั นำโนนีจ้ ึงน่ำสนใจและถูกนำมำใช้ในกำรเรยี นกำรสอน นำโนวิทยำศำสตร์และนำโนเทคโนโลยีเป็นกำรรวบรวมศำสตร์จำกท้ังสำขำเคมี ฟิสิกส์ ชีววิทยำ และ วิศวกรรม เข้ำด้วยกนั นำโนศำสตร์ได้ทำกำรปฏิวตั ิสำขำวิชำต่ำง ๆ โดยกำรพัฒนำกระบวนกำรและผลิตภณั ฑ์ทแ่ี ทบ จะไม่สำมำรถมวี ิวัฒนำกำรได้ดว้ ยวิธีกำรท่ัวไป โดยทำกำรควบคมุ สสำรที่มขี นำดประมำณ 1 ถงึ 100 นำโนเมตร ซ่ีง หำกมิติหนึ่งมิติใดมีขนำดอยู่ในช่วงดังกล่ำวถือว่ำเป็นอนุภำคนำโน วัสดุนำโนสำมำรถเป็นได้ทั้งวัสดุทำงธรรมชำติ หรือวิศวกรรม วัสดุจำนวนมำกเมื่อถูกลดขนำดจนถึงระดับนำโนจะแสดงสมบัติบำงประกำร (เช่น จุดหลอมเหลว ควำมแข็งแรงทำงกำยภำพ พ้ืนท่ีผิว พลังงำน กำรนำไฟฟ้ำ สมบัติแม่เหล็ก เป็นต้น) ที่แตกต่ำงจำกที่แสดงใน ระดับมหภำค 1.1 นำโนวิทยำศำสตรแ์ ละนำโนเทคโนโลยี (Nanoscience and Nanotechnology) นำโนวทิ ยำศำสตร์เปน็ สหวทิ ยำกำรวทิ ยำศำสตร์ ซึ่งเกยี่ วขอ้ งกบั วทิ ยำกำรมำกกว่ำหนง่ึ ศำสตร์ นอกจำก เคมี ฟิสิกส์ ชีวะ เป็นต้น ดังรูปท่ี 1.1 โดยครอบคลุมสำขำวิชำอื่นๆอยู่ด้วยในเวลำเดียวกัน ได้แก่ วัสดุศำสตร์ และ วศิ วกรรมศำสตร์ ซึ่งกำรประยุกต์ใช้นำโนวิทยำศำสตร์ไปเป็นอุปกรณ์ในทำงปฏิบัตินั้น เรียกว่ำ “นำโนเทคโนโลยี” โดยนำโนเทคโนโลยีอยู่บนพ้ืนฐำนของกำรจัดกำร ควบคุม และกำรรวมอะตอมและโมเลกุลไปเป็นวัสดุ โครงสร้ำง สำรประกอบ อุปกรณ์ และระบบท่ีระดับนำโน นำโนเทคโนโลยีเป็นกำรประยุกต์นำโนวิทยำศำสตร์ โดยรวม เทคโนโลยีต่ำงๆ (Horizontal-enabling convergent technologies) และวิทยำศำสตร์แขนงต่ำงๆ ท่ีเคยแยกกัน อยู่เข้ำไว้ด้วยกัน ดังรูปท่ี 1.1 โดยเฉพำะอย่ำงยิ่งเพ่ือวัตถุประสงค์ทำงอุตสำหกรรมและเชิงพำณิชย์ ใน ภำคอุตสำหกรรมท้ังหลำยนั้นล้วนพ่ึงพำวัสดุและอุปกรณ์ที่ทำจำกอะตอมและโมเลกุล ซึ่งโดยหลักกำรแล้ววัสดุทุก ชนิดสำมำรถปรับปรุงได้ด้วยนำโนเทคโนโลยีและทุกอุตสำหกรรมล้วนได้รับประโยชน์จำกนำโนเทคโนโลยี ยกตัวอย่ำงเช่น ชิพซิลิกอนดีเอ็นเอ (DNA silicon chips) ซ่ึงเป็นตัวอย่ำงของกำรรวมกันระหว่ำงวิทยำศำสตร์ของ สำรก่งึ ตัวนำ และชีววิทยำ เข้ำด้วยกันเพ่ือใช้งำนในอตุ สำหกรรมยำ เปน็ ต้น นำโนวิทยำศำสตร์ (Nanoscience) คือกำรศึกษำปรำกฏกำรณ์และกำรจัดกำรวัสดุในระดับอะตอม และ โมเลกลุ ท่มี ีสมบัติแตกตำ่ งไปจำกเดมิ ในวสั ดทุ ี่ระดับใหญก่ วำ่ นำโนเทคโนโลยี (Nanotechnology) คือกำรออกแบบ กำรอธิบำยลักษณะ กำรผลิต และกำรใช้งำนของ โครงสร้ำง อปุ กรณ์ และระบบ โดยกำรควบคมุ รูปร่ำงและขนำดที่ระดบั นำโนเมตร ซงึ่ ตำมควำมหมำยทถี่ ูกนยิ ำมข้ึน

4 โดยมูลนิธิวิทยำศำสตร์แห่งชำติ (National Science Foundation; NSF) ของสหรัฐอเมริกำ คือ เทคโนโลยีที่ เกี่ยวข้องกับกำรจัดกำร กำรสร้ำงหรือกำรสังเครำะห์รวมไปถึงกำรออกแบบและใช้เครื่องมือเพ่ือสร้ำงวัสดุ อุปกรณ์ หรือสสำรที่มขี นำดอยู่ในชว่ งประมำณ 1-100 นำโนเมตร ซึ่งมผี ลทำให้โครงสรำ้ งของวสั ดุอปุ กรณ์หรือสสำรมสี มบัติ เปล่ียนไปไม่ว่ำจะเป็นทำงด้ำนฟิสิกส์ เคมี หรือชีวภำพ และสำมำรถนำไปใช้ประโยชน์ตำมท่ีต้องกำรได้ แต่ท้ังน้ี กำรศึกษำและพัฒนำวัสดุ หรือสสำรที่มีขนำดอยู่นอกเหนือจำกช่วง 1-100 นำโนเมตร ท่ีแสดงสมบัติแตกต่ำงจำก วสั ดุหรือสสำรขนำดปกติก็จัดเป็นนำโนเทคโนโลยไี ด้เช่นเดยี วกนั รปู ท่ี 1.1 แขนงวชิ ำต่ำงๆ ในนำโนเทคโนโลยี (ท่มี ำ : Tarafdar & Adhikari, 2016) 1.2 ระดับนำโน (Nanoscale) คำวำ่ “นำโน” (nano) มีรำกศัพท์จำกภำษำกรีก “Nanus” หมำยถึง สิง่ มีชีวิตที่มีขนำดเล็กกวำปกตหิ รือ คนแคระ (dwarf) หรือหมำยถึงหนึง่ สวนพันลำนสวน (1/1,000,000,000 หรอื 1x10–9) โดยมสี ญั ลกั ษณเปน “n” ระดับนำโนเมตร นิยำมโดยท่ัวไปคือ 1-100 นำโนเมตร โดยหน่ึงนำโนเมตรคือหนึ่งในพันล้ำนของเมตร (10-9 m) ซึ่งช่วงของขนำดโดยปกติแลว้ จะอยทู่ ี่อย่ำงน้อย 1 นำโนเมตรเท่ำน้ัน เพื่อหลีกเลย่ี งไม่ให้อะตอมเดี่ยวหรือ กลมุ่ ของอะตอมทเ่ี ล็กมำกถูกกำหนดให้เป็นวัสดุนำโน โดยนำโนวิทยำศำสตร์และนำโนเทคโนโลยีเป็นกำรจัดกำรกับ กลมุ่ ของอะตอมทม่ี ีขนำดในระดบั นำโนเมตรอย่ำงนอ้ ย 1 มิติ ตวั อยำ่ งกำรเปรยี บเทียบขนำดในระดบั นำโน เชน่ อตั รำกำรงอกของเลบ็ จะอยทู่ ่ี 1 nm ตอ่ วินำที เสน้ ผำ่ นศูนย์กลำงของหัวเขม็ อย่ทู ี่ 1,000,000 nm เส้นผมมนุษยม์ เี สน้ ผำ่ นศูนย์กลำงประมำณ 80,000 nm โมเลกลุ ของ DNA กวำ้ ง 1-2 nm

5 3.5 gold atoms 1 nm รูปที่ 1.2 อะตอมของทองขนำดสำมอะตอมครึง่ เรยี งตอ่ กันเป็นแถวเท่ำกับ 1 นำโนเมตร (รัศมีเทำ่ กับ 0.144 นำโนเมตร) วัสดนุ ำโนแบ่งออกได้สองประเภทคือ วสั ดุนำโนทไ่ี มต่ ง้ั ใจสร้ำงข้ึน คอื อนุภำคหรือวัสดุขนำดนำโนที่เกดิ ขึ้นเองตำมธรรมชำติ เช่น แร่ธำตุ โปรตีน ไวรัส อนภุ ำคนำโนทเ่ี กดิ ขนึ้ ขณะกำรปะทขุ องภูเขำไฟ เป็นต้น หรอื ที่เกิดจำกกจิ กรรมของมมนษุ ย์โดยไม่ไดต้ ้งั ใจ เชน่ อนุภำคนำโนที่เกิดจำกกำรเผำไหม้ของเชอ้ื เพลิงดีเซล ของเสยี จำกอุตสำหกรรม เป็นต้น วสั ดนุ ำโนที่ต้ังใจสร้ำงข้นึ คือวสั ดุนำโนท่ีเจตนำผลติ ข้ึนผ่ำนกระบวนกำรผลติ ท่กี ำหนดไว้ เช่น โลหะ ท่อนำ โน (Nanotubes) บคั กบ้ี อล (Buckyballs) แคปซลู นำโน (Nanocapsule) เปน็ ตน้ รปู ท่ี 1.3 กำรเปรียบเทียบขนำดในระดับนำโน (ท่ีมำ : Otto & De Villiers, 2013)

6 โดยกำรจดั กล่มุ ของวัสดนุ ำโนจะพจิ ำรณำจำกมิตขิ องวสั ดุ ดังนี้ วสั ดสุ ำมมิติ (3D materials) ได้แก่ อนภุ ำคนำโน (Nanoparticles) แหวนนำโน (Nanorings) วสั ดุสองมิติ (2D materials) ได้แก่ วัสดุที่มีรูปร่ำงเป็นแผ่น (Sheets) หรือเป็นแผ่นฟิล์มบำง (Thin film) แผ่นฟิล์มบำงเหล่ำน้ีอำจเป็นวัสดุอสัณฐำน (Amorphous) ผลึกเดี่ยว (Single crystal) หรือผลึกพหุสัณฐำน (Polycrystalline) ก็ได้ วัสดุหนึ่งมิติ (1D materials) ได้แก่ ลวดนำโน (Nanowires) แท่งนำโน (Nanorods) สำยนำโน (Nanoribbons) เชือกนำโน (Nanoropes) และท่อนำโน (Nanotubes) วัสดุเหล่ำนี้อำจเป็นวัสดุท่ีเป็นอสัณฐำน (Amorphous) ผลึกเดย่ี ว (Single crystal) หรอื ผลกึ พหสุ ณั ฐำน (Polycrystalline) ก็ได้ วัสดุศูนย์มิติ (0D materials) ไดแ้ ก่ จดุ ควอนตัม (Quantum dot) รูปที่ 1.4 กำรจดั กลมุ่ ของวสั ดุนำโน (ทม่ี ำ : http://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article1371) รูปที่ 1.5 วัสดนุ ำโนสำมมติ ิ (ก) อนุภำคนำโน (ข) วงแหวนนำโน (ที่มำ : Hernandez-Leon, et al., 2017; Wang, 2009)

7 รูปท่ี 1.6 วัสดนุ ำโนสองมติ ิ (ก) แผน่ นำโน (ข) ฟิล์มบำงนำโน (ท่มี ำ : Wang, et al., 2018 ; Zhu, et al., 2016) รูปที่ 1.7 วัสดนุ ำโนหนงึ่ มติ ิ (ก) ลวดนำโน (ข) แทง่ นำโน (ค) เส้นใยนำโน (ง) สำยนำโน (จ) ทอ่ นำโน (ทม่ี ำ : Wang, 2009; Wang, 2004) (ทมี่ ำ : https://cvdmaterialscorporation.com/portfolio-item/zinc-oxide-nanowires-sem-5-k-x-side/) (ทมี่ ำ : https://www.frontiersin.org/10.3389/conf.FBIOE.2016.01.02663/event_abstract?sname=10th_ World_Biomaterials_Congress)

8 โดยกำรศึกษำระดับนำโนคือกำรศึกษำสสำรที่อยู่ระหว่ำง “บัลก์” ซึ่งอธิบำยได้ด้วยนิวโตเนียนฟิสิกส์ (Newtonian Physics) และ “อะตอม” ซึ่งอธิบำยได้ด้วยควอนตัมฟิสิกส์ (Quantum Physics) โดยพบว่ำสมบัติที่ โดดเดน่ ของสสำรในระดับนำโนน้นั ไดก้ ระต้นุ ใหน้ กั วิทยำศำสตร์คิดคน้ ส่ิงใหม่ในหลำกหลำยด้ำน วัสดุบัลก์มสี มบัตทิ ำงกำยภำพทต่ี ่อเน่ืองเช่นเดียวกับวัสดขุ นำดไมครอน แต่เมื่อนุภำคมขี นำดอยู่ในระดับนำ โนพบว่ำหลักกำรของฟิสิกส์คลำสสิกไม่สำมำรถอธิบำยพฤติกรรม (เช่น กำรเคล่ือนที่ พลังงำน) ได้อีกต่อไป ในกำร อธิบำยในระดับนำโนน้ันจะต้องใช้หลักกำรทำงกลศำสตร์ควอนตัม โดยพบว่ำวัสดุชนิดเดียวกัน (เชน่ ทอง) ท่ีระดับ นำโนจะมีสมบัติ (เชน่ ทำงแสง ทำงกล ทำงไฟฟ้ำ เปน็ ตน้ ) ทแี่ ตกต่ำงจำกวสั ดทุ ่ีระดบั ไมครอน 1.3 ประวัติเบื้องต้นของนำโนวิทยำศำสตรแ์ ละนำโนเทคโนโลยี ตวั อยำ่ งทดี่ ีที่สุดของนำโนเทคโนโลยใี นยุคโบรำณ ยุคกลำง และยุคใหม่ คือ โลหะคอลลอยด์ (อนภุ ำคนำโน โลหะกระจำยตัวในตัวกลำง) แก้วโรมัน “ไลเคอกัส” (Lycurgus Cup) เป็นหน่ึงในส่ิงท่ีน่ำสนใจที่สร้ำงข้ึนต้ังแต่ ศตวรรษทีห่ ้ำ ถว้ ยที่งดงำมน้ีต้ังอยูท่ ่ีพิพิธภัณฑ์บริติชในกรงุ ลอนดอน (British Museum) โดยพบวำ่ เม่ือใหแ้ สงสว่ำง จำกดำ้ นนอกถ้วยจะปรำกฏสเี ขียว แต่เมื่อใหแ้ สงจำกดำ้ นในถ้วยจะปรำกฏสแี ดงทับทมิ ยกเว้นบริเวณกำ้ นจับท่แี สดง สมี ่วง เหตุผลของควำมแตกต่ำงนี้ไมเ่ ป็นที่เข้ำใจจนกระทั่งมกี ำรวเิ ครำะห์อย่ำงละเอียดดว้ ยเทคนิค SEM ในปี 1990 พบว่ำเกดิ จำกกำรที่มีอนุภำคขนำดนำโนของเงิน (66.2%) ทอง (31.2%) และทองแดง (2.6) %) ขนำดไม่เกิน 100 นำโนเมตร ฝังอยู่ในแก้ว โดยกำรดูดกลนื แสงและกำรกระเจิงของอนภุ ำคนำโนจะเปน็ ตวั กำหนดสีทตี่ ำ่ งกนั นอกจำกนี้ยังพบหน้ำต่ำงกระจกสีที่ผลิตในยุคกลำงและเห็นได้ในโบสถ์หลำยแห่งที่ทำจำกแก้วและอนุภำค โลหะขนำดนำโน โดยส่วนผสมของแก้วจะมีผงทองขนำดเล็ก (ขนำดนำโน) ท่ีให้สีแดงทับทิม และสีม่วงของ “คำส เซียส” (Cassius) ซ่ึงเป็นของผสมคอลลอยด์ของทองคำนำโนและทนิ ไดออกไซด์ (Tin dioxide) และยังสำมำรถพบ ตัวอย่ำงของนำโนเทคโนโลยีได้จำกประวัติศำสตร์ของศิลปะจีน ตัวอย่ำงเช่น เครื่องลำยครำมจีนที่รู้จักกันในชื่อ กหุ ลำบฟำมลิ เล (Famille rose) ทป่ี ระกอบด้วยอนภุ ำคนำโนทองคำขนำด 20-60 นำโนเมตร ในปค.ศ.1661 รอเปิร์ต บอยล์ (Robert Boyle) นักเคมีชำวไอริช ได้เสนอมุมมองใหม่ที่น่ำสนใจ โดยได้ ตีพมิ พบทควำมในหนังสือเรอื่ ง “Sceptical Chymist” หนังสอื เล่มน้ีไดว้ ิพำกษ์ควำมเชื่อของอำริสโตเติลที่ว่ำ สสำร ประกอบด้วยธำตุท้ังส่ีคือ ดิน น้ำ ลม ไฟ โดยรอเบิร์ต บอยล์ ได้เสนอแนวคิดใหม่และเรียกสสำรเหล่ำน้ีว่ำเม็ด “คอปัสเคิล” (Corpuscles) โดยเสนอว่ำมวลสำรขนำดเล็กหรือกลุมอนุภำคใหม่น้ียำกท่ีจะเปลี่ยนกลับคืนเป็น อนภุ ำคเดมิ ได้ ในศริสต์ศตวรรษที่ 18 -19 เทคโนโลยีกำรถ่ำยภำพมีควำมก้ำวหน้ำอย่ำงมำก ควำมก้ำวหน้ำของเทคโนโลยี เหล่ำนเ้ี กิดจำกกำรพัฒนำอนุภำคนำโนของโลหะเงินท่ีมีควำมไวต่อแสงมำก โดยมกี ำรผลิตฟิล์มถำ่ ยภำพโปร่งใสจำก สำรผสมเซลลูโลสอะซิเตต (Cellulose acetate) กับสำรประกอบเฮไลด์ของเงิน (Silver halide) เช่น ซิลเวอร์โบร ไมด์ (AgBr) เคลือบอยู่บนแผ่นฟิล์ม ในตอนปลำยศริสต์ศตวรรษที่ 18 นักวิทยำศำสตร์ชำวองั กฤษ 2 คน คอื ทอมัส เวด์จวูด (Thomas Wedgewood) และเซอร์ฮมั ฟรยี ์เดวี (Sir Humprey Davy) สำมำรถผลิตภำพถ่ำยโดยใช้สำรซิล เวอร์ไนเตรต (Silver nitrate) และซิลเวอร์คลอไรด์ (Silver chloride) แต่ทว่ำภำพเหล่ำนั้นเลือนหำยได้ง่ำย ไม่ ทนทำน

9 รูปที่ 1.8 ผลติ ภณั ฑ์นำโนเทคโนโลยีในยคุ โบรำณ (ก) ถว้ ยไลเคอกสั (Lycurgus Cup) (ข) หนำ้ ต่ำงกระจกสีในยุค กลำง (ค) เคร่อื งลำยครำมกุหลำบฟำมลิ เล (Famille rose) (ทม่ี ำ : Schaming & Remita, 2015) ตอ่ มำในป ค.ศ.1861 แมกซ์เวลล์ (James Clark Maxwell) ซ่งึ เป็นผูน้ ำทฤษฎีแม่เหลก็ ไฟฟ้ำมำใช้นนั้ ไดผ้ ลติ ภำพถำยสีเป็นคร้ังแรก หลังจำกนั้นประมำณปี ค.ศ.1883 นักประดิษฐชำวอเมริกันช่ือจอร์จอีสแมน (George Eastman) ได้ผลิตแถบกระดำษท่ีเคลือบด้วยสำรเงินเฮไลด์แลวนำมำผลิตเป็นฟิล์มถ่ำยรูปและเป็นผู้ก่อตั้งบริษัท โกดัก (Kodak Corporation) จะเห็นได้ว่ำผลิตภัณฑ์ที่กล่ำวมำทั้งหมดข้ำงตน้ ล้วนเปน็ กำรใช้เทคโนโลยีท่พี ัฒนำบนพ้ืนฐำนของวัสดุขนำด นำโนแทบทั้งสิ้น ดงั นน้ั วัสดุนำโนจึงไม่ใช่เร่ืองใหม่แต่อย่ำงใด หำกพิจำรณำประวัตศิ ำสตร์ของวิทยำศำสตร์จะพบว่ำ คอลลอยด์ของทองคำเปน็ หวั ข้อของกำรวจิ ยั มำตงั้ แต่กลำงศตวรรษที่ 19 โดย ไมเคิล ฟำรำเดย (Michael Faraday) เป็นคนแรกท่ีทำกำรศึกษำอย่ำงเป็นระบบเก่ียวกับสมบัติของโลหะคอลลอยด์ โดยเฉพำะทองคำ ในปี 1857 ใน ระหว่ำงกำรบรรยำยของเขำท่ี Royal Society of London โดย Faraday ได้นำเสนอภำพน่ิงสีม่วงซึ่งระบุว่ำ ประกอบด้วยทองท่ีมีขนำดอนุภำคเล็กมำกจนเกิดเป็นของเหลวสีแดงทับทิม ฟำรำเดย์ตั้งสมมติฐำนอย่ำงถูกต้อง

10 เกี่ยวกับสถำนะทำงกำยภำพของคอลลอยด์และยังอธิบำยถงึ กำรเปลี่ยนสีคอลลอยด์ทองคำ (เป็นสีน้ำเงิน) เมื่อเติม เกลือ และไดตีพิมพบทควำมในวำรสำรช่ือ “Philosophical Transactions” ของเดะรอยัลโซไซตี (The Royal Society) ซึง่ พยำยำมอธิบำยวำอนภุ ำคโลหะมีผลตอสขี องกระจกหนำตำงในโบสถไดอยำงไร ในช่วงต้นศตวรรษท่ี 20 กุสเตฟ มิเอะ (Gustav Mie) ได้เสนอทฤษฎีมิเอะ ซง่ึ เป็นกำรศึกษำทำงคณิตศำสตร์ ของกำรกระเจิงด้วยแสงที่อธิบำยควำมสัมพันธ์ระหว่ำงโลหะขนำดคอลลอยด์และสมบัติเชิงแสงของสำรละลำย อธิบำยเร่ืองกำรใหสีของแกวดวยขนำดของสำรโลหะและชนิดของโลหะ บทควำมของกุสเตฟมิเอะไดตีพิมพใน นติ ยสำรเยอรมัน ช่อื “Annalen der Physik (Leipzing)” ปี ค.ศ. 1959 รชิ ำรด์ ฟำยน์แมน (Richard Feynman) ผู้ได้รบั รำงวลั โนเบลสำขำฟิสกิ ส์ในปี ค.ศ.1965 ได้ แสดงควำมคิดเหน็ และกล่ำวถงึ ควำมเปน็ ไปได้และประโยชนท์ ี่จะไดจ้ ำกกำรจดั กำรกับสสำรตำ่ ง ๆ ในระดับอะตอม และโมเลกุล ในปำฐกถำ เรื่อง “There’s Plenty of Room at the Bottom” ซึ่งอำจถือได้ว่ำเป็นกำรกล่ำวถึง นำโนเทคโนโลยีเป็นครงั้ แรกและจำกปำฐกถำดงั กลำ่ วไดน้ ำไปสู่กำรศึกษำค้นคว้ำและวิจยั เก่ียวกบั กำรจัดกำรสสำร ตำ่ ง ๆ ในระดับอะตอมและโมเลกลุ อย่ำงกวำ้ งขวำง เขำจึงไดร้ ับกำรยกย่องให้เป็นบิดำแหง่ นำโนเทคโนโลยี ปี ค.ศ. 1974 โนริโอะ ทำนิกูชิ (Norio Taniguchi) ศำสตรำจำรย์แห่งมหำวิทยำลัยวิทยำศำสตร์ โตเกียว ประเทศญ่ีปุ่น เป็นคนแรกท่ีใช้คำว่ำ “นำโนเทคโนโลยี” อธิบำยเก่ียวกับกระบวนกำร เช่น กำรแยก (Separation) กำรรวม (Consolidation) และกำรเปลี่ยนรูป (Deformation) ของอะตอมหรือโมเลกุลท่ีเกิดข้ึนในระดับนำโนใน กำรผลิตสำรกึ่งตัวนำและกำรควบคุมลำแสง และยังเป็นผู้บุกเบิกในกำรประยุกต์ใช้ลำแสงของโฟตอน (เลเซอร์) อเิ ลก็ ตรอน หรือไอออน ผลิตเครอ่ื งมือตดั เจำะวตั ถุท่ีมีควำมแขง็ แต่เปรำะที่มีควำมแม่นยำสงู รูปท่ี 1.9 ผรู้ ิเรม่ิ ทำงดำ้ นนำโนเทคโนโลยี (ก) ริชำรด์ ฟำยน์แมน (ข) โนรโิ อะ ทำนิกูชิ (ค) เกริด์ บินนงิ (ซำ้ ย) และไฮนร์ ชิ โรหเ์ ฮอร์ (ขวำ) (ง) ดอน ไอเกลอร์ (จ) อรี ิก เดรกซ์เลอร์ และ (จ) บลิ คลินตัน (ทีม่ ำ : https://www.researchgate.net/publication/292539409)

11 ปี ค.ศ. 1981 เกร์ิด บนิ นิง (Gerd Bining) และไฮน์ริช โรห์เฮอร์ (Heinrich Rohrer) ประสบควำมสำเร็จใน กำรสร้ำง กลอ้ งจุลทรรศน์แบบสอ่ งกรำดในอุโมงค์ (Scanning Tunneling Microscope; STM) ท่ีสำมำรถถำ่ ยภำพ กำรจดั เรยี งตวั ของอะตอมของสสำรได้อย่ำงชดั เจน และไดร้ ับรำงวัลโนเบลสำขำฟิสกิ สใ์ นปี ค.ศ. 1986 ต่อมำในปี ค.ศ. 1989 ดอน ไอเกลอร์ (Don Eigler) ได้ใช้กล้อง STM เป็นเคร่ืองมือในกำรจัดเรียงอะตอม ของธำตุซีนอน ทีละอะตอมเปน็ อักษร “IBM” บนแผงโลหะนิกเกิล ซงึ่ เหตุกำรณน์ ีแ้ สดงใหเ้ หน็ วำ่ มนุษย์สำมำรถเข้ำ ไปจดั วำงตำแหนง่ ของอะตอมได้เป็นครง้ั แรก รปู ที่ 1.10 กำรจดั เรยี งอะตอมของธำตุซนี อนทีละอะตอมเปน็ อกั ษร “IBM” บนแผงโลหะนกิ เกลิ (ที่มำ : https://phys.org/news/2009-09-ibm-celebrates-20th-anniversary-atoms.html) ปี ค.ศ.1986 อีริก เดรกซ์เลอร์ (Eric Drexler) ได้เขียน หนังสือชื่อ “Engines of Creation” ซ่ึงมีเน้ือหำ เกีย่ วกับกำรอธบิ ำยวิธกี ำรผลติ หรอื ประดษิ ฐอ์ ุปกรณ์ในระดับนำโนเมตรและควำมคำดหวังท่ีจะเกิดข้ึนในอนำคต ซ่ึง ได้รับควำมนิยมเป็นอย่ำงมำกจนทำให้กระแสของนำโนเทคโนโลยีแพร่กระจำยอย่ำงกว้ำงขวำงในเวลำอันรวดเร็วใน หมู่นักวทิ ยำศำสตรแ์ ละเทคโนโลยี ในปี ค.ศ. 1985 ริชำร์ด สมอลเลย์ (Richard Smalley) ฮำโรลด์ โกรโต (Harold W. Kroto และ โบเบิร์ด เอฟ เคิล (Robert F. Curl) ค้นพบรูปแบบใหม่ของธำตุคำร์บอนที่เรียกว่ำบัคก้ีบอล (Buckyball) ซึ่งเป็นโมเลกุลท่ี ประกอบไปด้วยคำร์บอน 60 อะตอม (C60) ประกอบในรูปแบบคล้ำยกับลูกฟุตบอล (รูปที่ 1.9) ต่อมำนักวิจัย สำมำรถพฒั นำวิธีกำรสังเครำะหแ์ ละสร้ำงวสั ดนุ ำโนลกั ษณะใหมน่ ีไ้ ด้ กำรมอี ย่ขู อง C60 น้ันถกู นำเสนอโดย อจิ ิ โอซำ วำ (Eiji Osawa) แหง่ มหำวทิ ยำลัยเทคโนโลยโี ตโยฮำชิ (Toyohashi University of Technology) ในนิตยสำรญ่ปี ุ่น เมื่อปี 1970 โดยรูปใหม่ของคำร์บอนนี้ได้รับกำรต้ังชื่ออย่ำงเป็นทำงกำรว่ำ “บัคมินเตอร์ฟูลเลอรีน” (Buckminsterfullerene) เพ่ือเป็นเกียรติแก่บัคมินเตอร์ฟูลเลอร์ (Buckminster Fuller) สถำปนิกผู้มีช่ือเสียง หลังจำกกำรค้นพบในปี 1985 ไมน่ ำนก็มีกำรคน้ พบฟูลเลอรนี รปู แบบอ่นื ๆมำกมำย โดย ริชำร์ด สมอลเลย์ (Richard Smalley) ฮำโรลด์ โกรโต (Harold W. Kroto) ได้รับรำงวัลโนเบลสำขำเคมีในปี ค.ศ. 1996 ในกำรค้นพบ สำรประกอบประเภทน้ี

12 ปี ค.ศ.2000 บิล คลินตัน (Bill Clinton) ประธำนำธิบดี สหรัฐอเมริกำในสมัยน้ันได้ผลักดันให้จัดตั้ง National Nanotechnology Initiation (NNI) ซ่ึงเป็นโครงกำรท่ีให้กำรสนับสนุนกำรวิจัยในเร่ืองเก่ียวกับนำโน เทคโนโลยี ทำใหป้ ระเทศตำ่ งๆ ทว่ั โลกตนื่ ตัวและหนั มำใหก้ ำรสนับสนนุ กำรวจิ ยั ทำงด้ำนนำโนเทคโนโลยมี ำกขนึ้ รปู ท่ี 1.11 บคั กี้บอล (Buckyball) (ท่มี ำ : http://classes.design.ucla.edu/Winter09/9-1/blog/b/?p=2004)

13 บทสรปุ นำโนวิทยำศำสตร์และนำโนเทคโนโลยีเป็นกำรรวบรวมศำสตร์จำกท้ังสำขำเคมี ฟิสิกส์ ชีววิทยำ และ วศิ วกรรม เขำ้ ดว้ ยกนั นำโนศำสตร์ได้ทำกำรปฏวิ ตั สิ ำขำวชิ ำตำ่ ง ๆ โดยกำรพฒั นำกระบวนกำรและผลิตภัณฑ์ท่ีแทบ จะไม่สำมำรถมวี วิ ัฒนำกำรไดด้ ้วยวธิ ีกำรทั่วไป โดยทำกำรควบคมุ สสำรที่มขี นำดประมำณ 1 ถึง 100 นำโนเมตร ซ่ีง หำกมิติหนึ่งมิติใดมีขนำดอยู่ในช่วงดังกล่ำวถือว่ำเป็นอนุภำคนำโน วัสดุขนำดนำโนสำมำรถเกิดขึ้นได้เองตำม ธรรมชำติและจำกมนุษย์สร้ำงขนึ้ หำกพิจำรณำประวัติศำสตรข์ องวทิ ยำศำสตร์จะเหน็ ได้ว่ำกำรศึกษำและผลิตภัณฑ์ ที่มีกำรพัฒนำขึ้นล้วนเป็นกำรใช้เทคโนโลยีที่พัฒนำบนพื้นฐำนของวัสดุขนำดนำโนแทบทั้งส้ิน ดังน้ันวัสดุนำโนจึง ไมใ่ ช่เรอ่ื งใหม่แต่อยำ่ งใด

14 แบบฝกึ หดั ทำ้ ยบท 1. จงให้นิยำมของคำว่ำนำโนเทคโนโลยี 2. ยกตวั อย่ำงนักวทิ ยำศำสตรท์ ีม่ คี วำมเกี่ยวขอ้ งกับนำโนเทคโนโลยีมำสำมท่ำนพร้อมอธิบำยรำยละเอียด 3. จงอธิบำยประเภทของวัสดุนำโนโดยแบ่งตำมตน้ กำเนดิ 4. จงอธบิ ำยประเภทของวสั ดนุ ำโนโดยแบง่ ตำมรูปร่ำงพร้อมยกตัวอยำ่ ง 5. จงอธบิ ำยควำมเป็นนำโนของแก้วโรมนั “ไลเคอกสั ” (Lycurgus Cup) 6. จงแสดงควำมเกย่ี วขอ้ งทำงด้ำนนำโนเทคโนโลยีของบุคคลต่อไปนี้ - ริชำร์ด ฟำยน์แมน (Richard Feynman) - โนริโอะ ทำนกิ ูชิ (Norio Taniguchi) - เกร์ดิ บนิ นงิ (Gerd Bining) และไฮนร์ ิช โรหเ์ ฮอร์ (Heinrich Rohrer) - ดอน ไอเกลอร์ (Don Eigler) - อรี กิ เดรกซเ์ ลอร์ (Eric Drexler)

เอกสารอา้ งองิ Tarafdar, J.C., & Adhikari, T. (2015). Nanotechnology in Soil Science. In book: Soil Science: An Introduction., Chapter: Nanotechnology in Soil Science., Rattan, R. K., et al. (Eds), pp.775- 807. Otto, D.P., De Villiers, M.M. (2013). Why is the nanoscale special (or not)? Fundamental properties and how it relates to the design of nano-enabled drug delivery systems. Nanotechnology Reviews, 2(2), 171-199. Hernandez-Leon, S. G., Sarabia-Sainz, J. A., Montfort, G. R., Guzman-Partida, A. M., Robles-Burgueño, M., & Vazquez-Moreno, L. (2017). Novel Synthesis of Core-Shell Silica Nanoparticles for the Capture of Low Molecular Weight Proteins and Peptides. Molecules (Basel, Switzerland), 22(10), 1712. Wang, Z.L. (2009). Ten years’ venturing in ZnO nanostructures: from discovery to scientific understanding and to technology applications. Chinese Science Bulletin. DOI: 10.1007/s11434-009-0456-0 Wang, C., Zhou, P., Wang, Z., Liu, Y., Wang, P., Qin, X., et al. (2018). TiN nanosheet arrays on Ti foils for highperformance supercapacitance. RSC Advances, 8, 12841–12847. Zhu, S., Pang, F., Huang, S., Zou, F., Guo, Q., Wen, J., & Wang, T. (2016). High Sensitivity Refractometer Based on TiO2-Coated Adiabatic Tapered Optical Fiber via ALD Technology. Sensors, 16(8), 1295. Wang, L.Z. (2004). Nanostructures of zinc oxide. Materials Today, 7, 26–33. _______. (มปป.) Zinc oxide nanowires. สบื ค้นเมื่อวนั ท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://cvdmaterialscorporation.com/portfolio-item/zinc-oxide-nanowires-sem-5-k-x- side/oxide Qian, Y. & King, M. (2016). Green electrospinning of gelatin and pullulan nanofibers to mimic the extracellular matrix. สืบคน้ เมือ่ วนั ท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.frontiersin.org/10.3389/conf.FBIOE.2016.01.02663/event_abstract?sname=10t h_ World_Biomaterials_Congress Schaming, D., & Remita, H. (2015). Nanotechnology: from the ancient time to nowadays. Foundations of Chemistry, 17(3), 187. _______. (2009). IBM Celebrates 20th Anniversary of Moving Atoms. สบื ค้นเม่ือวันท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://phys.org/news/2009-09-ibm-celebrates-20th-anniversary-atoms.html _______. (2009). Week 9: Nanotechnology. สบื คน้ เม่อื วันท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก http://classes.design.ucla.edu/Winter09/9-1/blog/b/?p=2004



แผนบรหิ ารการสอนประจาบทท่ี 2 หัวขอ้ เนื้อหา นาโนวิทยาศาสตรใ์ นธรรมชาติ 2.1 ดนิ เหนียว 2.2 คอลลอยดธ์ รรมชาติ 2.3 กระดกู 2.4 องค์ประกอบของส่งิ มีชีวิต 2.5 ใบบวั 2.6 เทา้ ตกุ๊ แก 2.7 ปีกผีเส้อื 2.8 เปลอื กหอยเป๋าฮือ้ 2.9 ใยแมงมมุ 2.10 จงิ โจ้น้า วตั ถุประสงค์เชงิ พฤติกรรม เมอ่ื ผู้เรยี น เรยี นจบบทน้แี ลว้ ผู้เรียนควรมีความรแู้ ละทกั ษะดังน้ี 1. มคี วามเขา้ ใจนาโนวิทยาศาสตรใ์ นธรรมชาติ วิธีสอนและกจิ กรรมการเรียนการสอนประจาบท 1. บรรยายเนือ้ หาในแต่ละหัวขอ้ พรอ้ มยกตัวอยา่ งประกอบ 2. ศกึ ษาเอกสารประกอบการสอน 3. ผู้สอนสรปุ เนอ้ื หา 4. ผ้สู อนท้าการซกั ถาม สื่อการเรียนการสอน 1. เอกสารประกอบการสอนวิชานาโนเทคโนโลยเี บือ้ งต้น 2. Power Point การวัดผลและประเมนิ ผล 1. ประเมนิ จากการซกั ถามในชั้นเรียน 2. ประเมนิ จากการท้าแบบฝกึ หดั ทบทวนทา้ ยบทเรียน 3. ประเมนิ จากการสอบกลางภาค



บทท่ี 2 นาโนวทิ ยาศาสตรใ์ นธรรมชาติ (Nanoscience in Nature) ======================================================================== โดยหลกั การแล้ววสั ดทุ ุกชนิดสามารถอธิบายได้ทร่ี ะดับนาโน “วัสดนุ าโนธรรมชาติ” หมายถึงวสั ดทุ ี่เป็นของ ธรรมชาติ (พืช สัตว์ และแร่ธาตุ) โดยไม่มีการดัดแปลงหรือผ่านกระบวนการของมนุษย์และมีสมบัติท่ีโดดเด่น เนอื่ งจากโครงสร้างระดับนาโนในธรรมชาติ โดยเอกลักษณท์ างเคมีและสมบัติของสารจะข้ึนอยู่กับโครงสร้างโมเลกุล โครงสร้างนาโนของวัสดชุ ีวภาพเกิดจากการจดั เรียงของโมเลกุลตั้งแต่สิบถึงรอ้ ยเป็นรูปร่างและรูปแบบในช่วงระดับ นาโน โดยโครงสร้างนาโนเหล่านี้ส่งผลให้วัสดุธรรมชาติมีสมบัติที่โดดเด่น ท่ีสามารถเห็นได้ในระดับมหภาค นอกจากนวี้ สั ดนุ าโนธรรมชาติยงั ชว่ ยสร้างแรงบนั ดาลใจในการศกึ ษานาโนวิทยาศาสตร์ โดยตวั อยา่ งรายละเอยี ดของ โครงสรา้ งนาโนตามธรรมชาตทิ ่ีนา่ สนใจและสมบัตทิ ี่เกี่ยวขอ้ งมดี งั น้ี 2.1 ดินเหนียว (Clays) รูปท่ี 2.1 ดนิ เหนียวมอนโมรลิ โลไนต์ (Montmorillonite) (ท่ีมา : https://wgnhs.uwex.edu/minerals/montmorillonite/) ดินเหนียวเป็นช้ันซิลิเกต (Silicate) ที่มีลักษณะโครงสร้างผลึก 2 มิติ ที่ละเอียด ดินเหนียวท่ีเกิดขึ้นตาม ธรรมชาติ ได้แก่ มอนโมริลโลไนต์ (Montmorillonite; MMT) และเฮกไรต์ (Hecrite) โดยโครงสรา้ งนาโนขนาดเล็ก ของดินเหนียวจะเป็นตัวกาหนดสมบัติเฉพาะตัว ยกตัวอย่างเช่น มอนต์มอริลโลไนต์ มีพันธะระหว่างชั้นที่ค่อนข้าง อ่อนแอ แต่ละช้ันประกอบด้วยซิลิกา (Silica) สองแผ่นยึดเกาะกันด้วยแคทไออน (Cation) เช่น Li+ Na+ K+ และ

20 Ca2+ การมีอยู่ของประจบุ วกมีความสาคัญในการใช้ชดเชยประจุลบโดยรวมของชั้นซิลิกา โดยแต่ละช้ันมีขนาดเส้น ผา่ นศูนย์กลางด้านข้างเฉลี่ยอยู่ที่ 20-200 นาเมตร และก่อตัวเป็นมวลรวมที่เรียกว่า “แทกทอยด์” (Tactoids) ท่ีมี ความหนาประมาณ 1 นาโนเมตรหรือมากกว่า โดยพบว่าเมื่อเติมน้าลงไปดนิ จะเกิดการพองตวั ซงึ่ มกี ารเปลย่ี นแปลง ปริมาตรคอ่ นขา้ งผิดปกติ โดยจะมีปริมาตรเพม่ิ ข้ึนหลายเท่าตัว เน่ืองจากการเปิดของชั้นโครงสร้างด้วยโมเลกลุ ของ นา้ ทีแ่ ทนที่ประจุบวก ซ่ึงการพองตวั ของดนิ เหนียวน้ีเป็นปัจจัยสาคญั ตอ่ ความเสถยี รของดิน ดว้ ยเหตุน้ีในการนาดิน เหนียวไปใช้งาน เชน่ การสร้างถนน จะตอ้ งมกี ารพจิ ารณาถงึ ปรากฏการณ์ดงั กล่าวเปน็ พเิ ศษ รปู ท่ี 2.2 โครงสร้างของดินเหนยี วมอนโมรลิ โลไนต์ (ทมี่ า : Maina, et al., 2016) รูปท่ี 2.3 แบบจาลองการพองตัวของชน้ั เหนียวมอนโมรลิ โลไนต์ (ทมี่ า : https://www.kunimine.co.jp/english/products/flowable.html)

21 2.2 คอลลอยดธ์ รรมชาติ (Natural Colloids) คอลลอยด์ธรรมชาติ เช่น นมและเลอื ด (ของเหลว) หมอก (ละออง) วนุ้ (เจล) ในวัสดุเหล่านี้ อนุภาคนาโนจะ กระจายอยู่ในตัวกลาง (ของเหลว หรือแก๊ส) แต่ไม่เกิดเป็นสารละลาย เป็นเพียงคอลลอยด์ โดยลักษณะเฉพาะของ วสั ดุเหลา่ นี้คือจะเกิดการกระเจิงของแสงและทาให้เกิดสี อันเน่ืองมาจากการกระเจิงของแสงโดยอนุภาคนาโนท่ีอยู่ ภายใน (เช่น ในกรณีของเลอื ดและนม) รปู ท่ี 2.4 คอลลอยดข์ องนม (ทีม่ า : https://schaechter.asmblog.org/schaechter/2011/02/of-terms-in-biology-colloids.html) 2.3 กระดูก (Bone) สมบัติท่ีเป็นเอกลักษณ์ของกระดูกคือความขัดแย้งท่ีเห็นได้ชัด ได้แก่ แข็งแต่ยืดหยุ่น น้าหนักเบาแต่แข็ง พอที่จะรองรับการเติบโตของเนื้อเย่ือ มีความแข็งแรงเชิงกลแต่มีรพู รุน กระดกู สามารถรับน้าหนักได้โดยไม่เกดิ การ แตกหกั โดยมีความแข็งแรงกดอัดเป็นสองเท่าของความแข็งแรงตึง สมบตั ิท่ีโดดเด่นเหล่านี้เป็นผลมาจากโครงสร้าง และองค์ประกอบแบบลาดับช้ันที่ซับซ้อนของกระดูก กระดูกเกิดจากคอมโพสิตของเส้นใยคอลลาเจน (Collagen) ซึ่งสว่ นใหญเ่ ป็นคอลลาเจนชนิด I เสริมด้วยอนภุ าคแคลเซียมฟอสเฟต (Calcium phosphate) หรอื ไฮดรอกซอี ะพา ไทต์ (Hydroxyapatite) จากมุมมองเชิงกล กระดูกต่างๆ เช่น กระดูกต้นขา มีโครงสร้างแบบแซนวิชที่มีเปลือก ห่อหุ้มที่หนาแน่น (เย่ือหุ้มกระดูก) และภายในเป็นรูพรุน (กระดูกโปร่ง) ในกระดูกโปร่ง (Cancellous bone) มี ปริมาตรวสั ดุทเี่ ปน็ กระดูกอยู่ภายในเพยี ง 20% สว่ นท่เี หลอื เปน็ ไขกระดกู ส่วนเย่ือห้มุ กระดูกทาจากเสน้ ใยทจ่ี ัดเรียง ตัวอย่างเป็นระเบียบ โดยเส้นใยประกอบด้วยโมเลกุลคอลลาเจนยาว 300 นาโนเมตร และหนา 15 นาโนเมตร ยึด เกาะด้วยเซลล์สร้างกระดูกบนพื้นท่นี อกเซลล์และประกอบตวั เองเข้าไปในเส้นใย โดยโมเลกุลของเส้นใยทอ่ี ยู่ติดกัน น้ันจะจัดเรียงไปตามทศิ ทางของแกนหลักโดยมีระยะประมาณ 67 นาโนเมตร ก่อให้เกิดรูปแบบลักษณะเฉพาะของ บรเิ วณท่ีเปน็ ช่องว่างยาว 35 นาโนเมตรและบรเิ วณทับซ้อนยาว 32 นาโนเมตรภายในเส้นใย

22 เส้นใยคอลลาเจน (Collagen fibrils) จะถูกเคลือบด้วยผลึกแร่ธาตุขนาดเล็กของไฮดรอกซีอะปาไทต์ (Hydroxyapatide) ซึง่ เปน็ แผ่นเรยี บและจดั เรียงตัวขนานกันและขนานกับแกนหลกั ของเส้นใยโดยมรี ะยะประมาณ 67 นาโนเมตร ในสัตวเ์ ลยี้ งลูกด้วยนมผลกึ แร่ของกระดูกจะมีความหนา 2-4 นาโนเมตร รปู ท่ี 2.5 โครงสร้างของกระดกู (ที่มา : Sadat-Shojai, et al., 2013) สรุปโดยรวมอาจกล่าวได้ว่ากระดูกเกิดจากเมทริกซ์อินทรีย์อ่อนนุ่มท่ีเรียกว่าคอลลาเจนเสริมแ รงด้วย สารประกอบอนนิ ทรยี ์ท่ีแขง็ คอื ผลกึ ไฮดรอกซีอะพาไทต์ สว่ นประกอบทง้ั สองนี้ประกอบกันเปน็ โครงสร้างแบบช้นั ท่ี จัดเรียงตัวในระดับนาโนเมตร การจัดเรียงตัวเป็นช้ันในระดับนาโนนี้ช่วยให้กระดูกมีความทนทานต่อการแตกหักท่ี เกดิ จากกจิ กรรมปกติในชวี ิตประจาวันและช่วยกระจายแรง ไม่กอ่ ให้เกดิ การแพรก่ ระจายของรอยแตก ซ่ึงโดยทั่วไป แล้วไฮดรอกซีอะพาไทต์นั้นเป็นวัสดทุ ่ีแข็งท่ีไม่สามารถกระจายแรงได้มาก ด้วยเหตุน้ีจึงเช่ือว่าคอลลาเจนมีบทบาท สาคัญตอ่ สมบัติเชงิ โครงสรา้ งของกระดูก (ความยืดหยนุ่ และการเสยี รูปแบบพลาสตกิ ) โดยพบว่ากระดูกของผสู้ งู อายุ จะมีแร่ธาตุมากกวา่ และมีเปอรเ์ ซ็นตข์ องไฮดรอกซอี ะพาไทตท์ ี่สงู กว่าจึงมีความแขง็ และแตกหักไดง้ ่าย 2.4 องค์ประกอบของสงิ่ มชี ีวิต ผิวหนัง เล็บ จงอยปาก เขา ผม วัสดุเหล่าน้ีเกิดจากโปรตีนที่มีความยืดหยุ่นสูง ได้แก่ เคราติน (Keratin) อิลาสติน (Elastin) และคอลลาเจน (Collagen) โดยพบว่าเคราตินประกอบด้วยไกลซีน (Glycine) และอะลานีน (Aniline) อยู่ปริมาณมาก ซ่งึ ส่งผลให้สามาถเกิดการเช่ือมต่อกันไดอ้ ย่างแขง็ แรง โมเลกลุ ของเสน้ ใยเคราตินสามารถ หมุนรอบตวั ได้เกิดเป็นเกลยี วเส้นใยคลา้ ยกันกับคอลลาเจน โดยจะมปี ริมาณไกลซนี ทีส่ งู และเกิดเป็นโครงสรา้ งเกลยี ว สามช้ันท่ียืดหยุ่น นอกเหนือจากพันธะภายในและพันธะระหว่างโมเลกุลแล้ว เคราตินยังมีคิสทีน (Cysteins) ที่ สามารถเกิดพันธะไดซัลไฟด์ (Disulfide) ท่ีเสถียร โดยปริมาณของคิสทีนในโปรตีนจะเป็นตัวกาหนดความแข็งแรง และความแข็งของวัสดุ ยกตวั อยา่ งเช่น เคราตินในเส้นผมมนุษย์จะประกอบด้วยคสิ ทนี 14% ส่วนเล็บ กีบ และกรง เล็บจะมีปรมิ าณของคสิ ทีนทสี่ ูงกว่า