ວິຊາ นาโนเทคโนโลยเบื้องต้น

123 แขง็ แรงท่ีสุดเท่าท่ีเคยวัดได้โดยพบวา่ มคี วามแข็งแรงกวา่ เหล็กประมาณ 200 เทา่ และเปน็ ตัวนาไฟฟ้า วัสดุนีถ้ ูกพบ ในปี 2004 โดยแอนเดอ เจม (Andre Geim) และคอนสเตนติน โนวาซีลอฟ (Konstantin Novoselov) จาก มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ซึ่งใช้เทปกาวลอกเศษของกราไฟท์ซ้าหลายๆครั้งจนกระทั่งช้ินส่วนมีความหนาเพียง อะตอมเดียว นักวทิ ยาศาสตรไ์ ดท้ าศึกษาถึงสมบตั อิ ันน่าอัศจรรย์ของกราฟีนและได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสกิ ส์ในปี 2010 และนักวิทยาศาสตรเ์ ชอ่ื ว่าในอนาคตจะสามารถนาแกรฟนี ไปใช้เพอื่ สร้างทรานซิสเตอรท์ ี่มีความเร็วสูงและฝัง เข้าไปในพลาสติกเพือ่ ผลิตอุปกรณ์อเิ ลก็ ทรอนกิ ส์แบบโปร่งใสสาหรับจอภาพและโทรศพั ท์มือถือ 6.3.1 ทอ่ นาโนคารบ์ อน (Carbon Nanotubes) ท่อนาโนคาร์บอนมีท้ังท่อนาโนแบบผนังเด่ียว (Single-wall nanotubes; SWNTs) ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง ประมาณ 1.4 นาโนเมตรและท่อนาโนแบบหลายผนัง (Multi-wall nanotubes; MWNTs) มีความยาว 2–30 nm และมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 30–50 nm โครงสร้างของ SWNT เปรียบเสมือนการม้วนแผ่นกราไฟท์ท่ีมีความ หนาหน่ึงอะตอมเป็นทรงกระบอก และเปิดท้ายด้วยฟูลเลอรีนท่ีปลายแต่ละด้านของท่อนาโน ท่อนาโนคาร์บอน สามารถมีความยาวได้ต้ังแต่ 20-30 นาโนเมตรจนถึงหลายไมโครเมตร และสามารถมีสมบัติเป็นโลหะ (เทียบได้กับ หรือดีกว่าทองแดง) หรอื อาจเป็นสารก่ึง ซ่งึ ขนึ้ อยู่กบั โครงสร้าง โดยทอ่ นาโนคารบ์ อนเป็นวสั ดุที่สามารถนาไปใชง้ าน ได้หลากหลาย เช่น การนาส่งยา ตัวตรวจจับทางเคมี ตัวเก็บประจุยิ่งยวด วัสดุจัดเก็บไฮโดรเจน เซลล์แสงอาทิตย์ วงจรรวมอิเลก็ ทรอนกิ ส์ (ICT) วัสดขุ ้ันสงู สาหรบั งานก่อสร้าง การขนสง่ อุปกรณก์ ีฬา เป็นตน้ รปู ท่ี 6.6 ท่อนาโนคาร์บอน (ก) แบบผนงั เดีย่ ว (Single-wall nanotubes; SWNTs) (ข) แบบหลายผนัง (Multi-wall nanotubes; MWNTs) (ท่ีมา : Rafique, 2015) 1. สมบตั เิ ชิงกลของท่อนาโนคาร์บอน พนั ธะทางเคมีของท่อนาโนประกอบดว้ ยพันธะ sp2 ท้ังหมด (พันธะคคู่ าร์บอน) คล้ายกับกราไฟท์ (ในขณะที่ เพชรทกุ ชนิดจะประกอบดว้ ยพนั ธะ sp3) โครงสรา้ งพันธะน้ีแบบ sp2 จะแข็งแรงกว่าพนั ธะ sp3 ที่พบในเพชร สง่ ผล ให้โมเลกุลมีความแข็งแรงที่เป็นเอกลักษณ์ โดยทอ่ นาโนจะจัดเรียงตัวเองคลา้ ยเชือกทีย่ ึดเกาะกันด้วยแรงแวนเดอร์ วาลส์ โดยพบว่าทอ่ นาโนมีน้ันความแข็งแรงกวา่ เหลก็ หลายเทา่ แต่มนี ้าหนกั เบากว่ามาก

124 2. สมบัติทางไฟฟ้าของท่อนาโนคาร์บอน สมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและช่องว่างหรือ \"โฮล\" (Hole) โดยสมบัติ เหล่าน้ีจะขึ้นอยู่กับโครงสร้างทางเคมีและทางกายภาพของวัสดุ ในวัสดุระดับนาโนสมบัติทางไฟฟ้าที่น่าสนใจ บางอย่างจะปรากฏข้ึน ท่อนาโนคาร์บอนคือ ตวั อย่างที่ดที ่ีสุดของปรากฏการณ์นี้ที่ระดับนาโน จาการสร้างท่อนาโน โดยการม้วนแผ่นกราฟีนพบว่าท่อนาโนท่ีเกิดข้ึนสามารถนาไฟฟ้า หรือเป็นสารกึ่งตัวนาที่มีช่องว่างแถบพลังงาน ค่อนข้างกว้าง สมบัติทางไฟฟ้าของท่อนาโนขึ้นอยู่กับวิธีการม้วนตัว (roll up) ท่ีรู้จักกันในนามเทคนิคไครอลลิตี (Chirality) เมอื่ แผ่นถกู ม้วนเปน็ รปู หกเหลยี่ มตามแนวแกนของทอ่ นาโน วัสดุจะประพฤติตวั เป็นโลหะ (นาไฟฟ้า) แต่ หากมว้ นไปตามแนวทแยงของแกน วสั ดุจะทาหน้าท่ีเปน็ วัสดุก่ึงตัวนา กราฟีน (หนึ่งชั้นของกราไฟท)์ ไมใ่ ช่ฉนวน แตก่ ็ยังไม่ใช่โลหะ หรอื กง่ึ ตวั นา ซ่ึงมีสมบัติทางไฟฟ้าอยู่ท่ีไหนสัก แห่ง โดยเรียกว่า กึ่งโลหะ (Semi metal) เม่ือม้วนตัวจะนาไปสู่โครงสร้างท่ีเป็นโลหะหรือก่ึงตัวนา ในทางกลับกัน เพชรมีโครงสร้างแบบเตตระฮดี รอล (tetrahedral) ซงึ่ เป็นฉนวน นักวิจัยยังสนใจศึกษาท่อนาโนในการใช้งานเป็นตัวนายิ่งยวดใกล้อุณหภูมิห้อง คือสามารถส่งกระแสไฟฟ้า จานวนมหาศาลไดท้ แ่ี รงดันไฟฟ้าเพยี งเล็กนอ้ ย และไม่มคี วามต้านทาน ในปัจจุบันตวั นาย่ิงยวดทรี่ ู้จกั กันจะทางานท่ี อุณหภูมิต่ามาก งานวิจัยในสาขาน้ีจึงมีความสาคัญอย่างมากหากวัสดุแสดงสมบัติเป็นตัวนายิ่งยวดท่ีอุณหภูมิห้อง โดยไม่มีความต้านทาน และไม่สูญเสียพลังงานเน่ืองจากความร้อน ซึ่งนาไปสู่การผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ท่ีมี ความเรว็ สงู พลังงานต่า และมปี ระสทิ ธิภาพในการสง่ ผา่ นไฟฟ้า 100% ในแง่ของสมบัติทางความร้อน พบว่าท่อนาโนคาร์บอนจะกระจายความร้อนได้ดีกว่าวัสดุอ่ืนและเป็นตัวนา ความร้อนท่ีดีเย่ียม โดยท่อนาโนคาร์บอนมีความเสถียรมาก สามารถทนต่อสารเคมีและทนทานต่ออุณหภูมิใน ช่วงกว้าง อย่างไรก็ตามโครงสร้างทางเคมีสามารถเปล่ียนแปลงได้โดยการเติมลิแกนด์ท่ีจาเพาะกับหมู่ฟังก์ชันที่ สามารถเกิดอนั ตรกิริยาทางเคมีท่แี ตกต่างกนั ได้ 6.4 วัสดนุ าโนพอลเิ มอร์ (Nanopolymer Materials) วัสดุนาโนพอลิเมอร์ คือสารอนิ ทรีย์ เคมีอินทรีย์ ชีวเคมี และโปรตนี ที่มีอนุภาคขนาดเลก็ ในระดับนาโนและ เกิดจากโครงสร้างท่ีมีการยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะปฐมภูมิ (Primary bond) ชนิดพันธะโควาเลนต์ (Covalent bond) ไดแ้ ก่ เส้นใยนาโนหรือนาโนไฟเบอร์ (Nanofiber) ไมเซลล์ (Micelle) ซปุ เปอร์โมเลกุล (Supramolecular) เนอ้ื เย่อื เทยี ม (Tissue engineering or Scaffolds) สารประกอบแมคโครไซคลกิ (Macrocyclic compounds) พอลิเมอร์เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ท่ีเกิดจากสายโซ่ของหน่วยพ้ืนฐานแต่ละตัวท่ีเรียกว่า “โมโนเมอร์” (Monomers) รวมเข้าด้วยกันเปน็ ลาดับ สว่ นพอลิเมอรร์ ว่ ม (Copolymer) เปน็ โมเลกลุ ขนาดใหญท่ ีป่ ระกอบด้วยโม โนเมอร์สองชนิดขึ้นไป เม่ือพอลิเมอร์เป็นตัวนาไฟฟ้าจะเรียกว่า “พอลิเมอร์นาไฟฟ้า” (หรือโลหะอินทรีย์) โดยใน หวั ข้อนี้จะอธบิ ายถงึ โครงสร้างนาโนของพอลิเมอรแ์ ละผลกระทบทม่ี ีต่อสมบัติของพอลเิ มอร์ 6.4.1 พอลเิ มอร์นาไฟฟ้า (Conducting Polymer) พอลิเมอร์ท่ีเป็นตัวนาไฟฟ้าที่ดีเรียกว่า “พอลิเมอร์นาไฟฟ้า” ได้แก่ พอลิอะเซทีลีน (Polyacetylene) พอ ลิอะนิลีน (Polyaniline) พอลิไพโรล (Polypyrrole) พอลิไธโอฟีน (Polythiophene) เป็นต้น พอลิเมอร์เหล่านี้มี

125 ลักษณะเฉพาะคือประกอบด้วยพันธะเคมีท่ีสลับกันระหว่างพันธะเดี่ยวสลับกับพันธะคู่ เป็นพันธะแบบ π- conjugation โดยพันธะของคาร์บอนภายในโซ่พอลิเมอร์นี้ส่งผลให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอนตัวนา วัสดุจึงแสดง สมบัติการนาไฟฟ้า จากการวิเคราะห์ด้วย SEM โดยละเอียดของพอลิเมอร์นาไฟฟ้าพบว่าปรากฏการณ์น้ีเกิดจาก อนภุ าคนาโนโลหะขนาดเส้นผา่ ศนู ย์กลางประมาณ 10 นาโนเมตร การนาไฟฟา้ ของพอลเิ มอร์ เชน่ ญพอลิอะเซทีลีน และพอลิอะนิลีน จึงเกี่ยวข้องกับโครงสร้างขนาดนาโนของพอลิเมอร์ นอกจากนี้ยังพบว่าพอลิอะนิลีน จะเปล่ียนสี เม่ือมกี ารใหแ้ รงดันไฟฟ้าทเ่ี หมาะสมหรือเม่ือทาปฏกิ ริ ิยาทางเคมีที่จาเพาะ (Electrochromic) ดว้ ยเหตนุ จี้ ึงสามารถ นาไปใช้ในไดโอดเปล่งแสง (LED) และการใช้งานอื่น ๆ เช่น ในงานพิมพ์แผงวงจร ป้องกันการกัดกร่อนของพ้ืนผิว โลหะ สารเคลือบโปร่งใสปอ้ งกันไฟฟ้าสถิตย์สาหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนกิ ส์ แบตเตอรีโ่ พลเี มอร์ และระบบป้องกัน คล่นื แมเ่ หลก็ ไฟฟ้า 6.4.2 พอลิเมอร์ร่วมแบบบลอ็ ก (Block Copolymers) พอลิเมอร์ร่วมแบบบล็อก เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยโมโนเมอร์สองชนิดหรือมากกว่าและ ประกอบดว้ ยหน่วยพน้ื ฐานหรือโมโนเมอร์รวมเข้าด้วยกันเป็นลาดบั ในแนวยาวท่เี รยี กวา่ “บลอ็ ก” (Block) ตัวอยา่ ง คือไดบล็อกพอลีเมอร์ (Diblock polymer) (A)m(B)n ซึง่ เกดิ จากการจัดเรียงตัวของโมโนเมอร์ (m) ชนดิ A รวมเข้า ดว้ ยกนั เปน็ ลาดับเชิงเสน้ กบั โมโนเมอร์ (n) ชนิด B สลับกนั ไป [กลมุ่ ปลาย] - [polyA] m- [polyB] n- [กลุม่ ปลาย] รูปท่ี 6.7 แผนภาพพอลิเมอรร์ ่วมแบบบลอ็ กเชงิ เสน้ รูปแบบตา่ งๆ (ท่ีมา : Buonomenna, et al., 2012) บ่อยคร้งั ทพ่ี อลเิ มอรร์ ่วมแบบบล็อกเกิดจากโมโนเมอรท์ ่ีไม่ชอบน้า (Hydrophobic) และโมโนเมอรท์ ่ีชอบน้า (Hydrophilic) โดยทั่วไปโมเลกุลขนาดใหญ่จะมีท้งั บริเวณท้ังที่ชอบน้าและไม่ชอบนา้ เชน่ ไขมันทจ่ี ัดเรยี งตัวเองเป็น ละดับเมอ่ื อยู่ในนา้ โดยบรเิ วณทีไ่ มช่ อบนา้ จะเกาะกลุ่มเข้าดว้ ยกันเพื่อหลีกเลยี่ งโมเลกุลของน้า และปล่อยให้โมเลกุล ทช่ี อบนา้ อยู่ด้านนอกของโครงสรา้ ง ในทานองเดียวกันพอลเิ มอร์ร่วมแบบบล็อกท่ที าจากบลอ็ กทช่ี อบนา้ และไม่ชอบ นา้ เม่อื ผสมเขา้ ด้วยกนั ในตวั ทาละลาย เชน่ นา้ จะสามารถจัดตัวเองเขา้ เป็นโครงสร้างทเี่ ป็นระเบียบทรี่ ะดบั นาโน

126 โดยรูปร่างและและการจัดเรียงตัวของโครงสร้างเหล่านี้จะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นและปริมาณ อัตราส่วน ระหว่างบล็อกที่ไม่ละลายและละลายได้ โดยปัจจัยต่างๆเหล่าน้ีส่งผลให้พอลิเมอร์ร่วมแบบบล็อก สามารถเกิด รูปแบบไมเซลล์ทรงกลม ( Spherical micelles) ทรงกระบอก (Cylindrical micelles) และเมมเบรน (Membranes) ได้ ท้ังไมเซลล์รูปทรงกระบอก และไมเซลล์ทรงกลมจะประกอบด้วยแกนกลางท่ีไม่ละลายน้า ล้อมรอบด้วยโคโรนาที่ละลายน้าได้ โดยเมมเบรนถูกสร้างข้ึนจากช้ัน (Monolayers) บล็อกโคพอลิเมอร์สองช้ันท่ี จัดเรียงตัวเกิดเป็นเมมเบรนที่มีลักษณะคล้ายแซนวิช (Sandwich-like membrane) ให้เป็นเมมเบรนที่มีลักษณะ คล้ายแซนด์วิชคือ บล็อกท่ีละลายน้าได้-บล็อกที่ไม่ละลายน้า-บล็อกที่ละลายน้าได้ โดยพบว่าท่ีความเข้มข้นต่า โมเลกุลจะกอ่ ตวั เป็นทรงกลม จากนั้นเมอ่ื ความเข้มข้นเพิ่มขึน้ จะรวมตวั กันเป็นโครงสร้างทรงกระบอก และเกดิ เป็น โครงสรา้ งคล้ายเมมเบรนในทสี่ ดุ (รปู ที่ 6.9) รูปท่ี 6.8 แผนภาพจาลองการเกิดไมเซลล์พอลิเมอร์รว่ มแบบบล็อก (Block copolymer micelles) (ทม่ี า : Niu, et al., 2017) รูปที่ 6.9 แผนภาพจาลองไมเซลล์ (Micelles) แบบต่างๆ (ท่มี า : Rangel-Yagui, et al., 2004) 6.5 วัสดุนาโนคอมโพสติ (Nanocomposite Materials) แนวคิดทอี่ ยู่เบือ้ งหลงั วัสดนุ าโนคอมโพสติ (Nanocomposites) คือการใชห้ นว่ ยการสร้างท่มี ีขนาดในชว่ งนา โนเมตรในการออกแบบและสรา้ งวัสดใุ หม่ท่ีมีความยืดหยุ่นและการพัฒนาของสมบัตทิ างกายภาพ แนวคดิ นีเ้ ปน็ สงิ่ ที่

127 เกิดข้ึนในวัสดุตามธรรมชาติมากมาย เช่น กระดูก ซ่ึงเป็นวัสดุนาโนคอมโพสิตแบบลาดับช้ัน (Hierarchical nanocomposite) ท่ีสร้างขึ้นจากเซรามิกและสารยึดเกาะอินทรีย์ ในการออกแบบวัสดุนาโนคอมโพสิตน้ัน นักวิทยาศาสตร์สามารถเลือกวัสดุที่มีองค์ประกอบท่ีแตกต่างกันได้ ดังน้ันสมบัติของวัสดุที่สร้างขึ้นมีฟังก์ชันการใช้ งานท่ีหลากหลาย ตามคาจากดั ความท่ัวไปน้นั วัสดุนาโนคอมโพสิตเปน็ วสั ดทุ ั่วไปท่ีเสริมแรงดว้ ยอนุภาคระดับนาโน หรือโครงสร้างนาโน ซึ่งกระจายไปท่ัววัสดุ โดยวัสดุท่ีเป็นเมทริกซ์จะไม่อยู่ในระดับนาโน โดยทั่วไปแล้ววัสดุนาโน คอมโพสิตจะเป็นของแข็งอนินทรีย์ท่ีมีส่วนประกอบของสารอินทรีย์อยู่ภายใน หรือในทางกลับกัน หรือมีมากกว่า สองเฟส โดยต้องมีองค์ประกอบอย่างน้อยหน่ึงชนิดที่มีขนาดเป็นนาโน โดยท่ัวไปวัสดุนาโนคอมโพสิตจะสามารถ แสดงสมบัติเชิงกล ไฟฟ้า แสง การเร่งปฏิกิริยา และสมบัติโครงสร้างที่แตกต่างจากของแต่ละองค์ประกอบ นอกเหนือจากสมบัติของส่วนประกอบแต่ละส่วนแล้ว พบว่ารอยต่อระหว่างผิวในนาโนคอมโพสิตนั้นก็มีบทบาท สาคญั ในการกาหนดสมบัติโดยรวมของวสั ดุ เนื่องจากพ้ืนทผี่ ิวที่สงู ของโครงสร้างนาโน วสั ดนุ าโนคอมโพสิตจงึ มีการ เชอื่ มตอ่ ระหว่างเฟสผสมทม่ี าก โดยสมบัติพเิ ศษของวัสดนุ าโนคอมโพสิตเป็นผลมาจากอนั ตรกริ ยิ าทรี่ อยต่อเฟส วัสดุนาโนคอมโพสติ ประกอบดว้ ยวสั ดุนาโนพอลเิ มอร์คอมโพสติ (Nanopolymer composites; NPMCs) วัสดนุ าโนเซรามกิ คอมโพสติ (Nanoceramic composite, NCMCs) และวัสดนุ าโนโลหะคอมโพสติ (Nanometallic composites; NMMCs) 6.5.1 วสั ดนุ าโนเซรามกิ คอมโพสิต (Nanoceramic Composite, NCMCs) วัสดุนาโนเซรามิกคอมโพสิต เป็นนาโนคอมโพสิตอนินทรีย์ (Inorganic nanocomposites) ท่ีเมทริกซ์เป็น สารอนินทรีย์คือเซรามิก และเสริมแรงด้วยอนุภาคระดับนาโนหรือโครงสร้างนาโนของสารอนินทรีย์ (เช่น โลหะ) หรืออนิ ทรีย์ธรรมชาติ (เชน่ คาร์บอน) ในปัจจบุ ันพบว่าแม้แต่เซรามกิ ทผ่ี ่านกรรมวธิ ีท่ดี ที ี่สุดในการเตรียมกย็ ังมปี ญั หามากมาย เช่น ความต้านทาน การคืบ (Creep) ต่า ความล้า (Fatigue) และการช็อกความร้อน (Thermal shock) การเส่ือมสภาพของสมบัติ เชิงกลท่ีอุณหภูมิสูง อีกท้ังมีความเหนียวและความแข็งแรงแตกหักต่า วิธีหนึ่งในการแก้ปัญหาเหล่าน้ีวิธีคือการเติม เฟสที่สอง เช่น อนุภาค (Particulate) แผ่น (Platelets) แท่งวิสเกอร์ (Whiskers) หรือเส้นใย (Fibers) ในระดับ ไมครอนลงในเมทริกซ์ อยา่ งไรกต็ ามผลลพั ธท์ ี่ได้จากวิธีการเหล่านี้เป็นที่นา่ ผิดหวงั แตเ่ ม่อื ไม่นานมานีแ้ นวคิดของนา โนคอมโพสิตได้รับพัฒนา โดยการเติมวัสดุเฟสท่ีสองที่มีขนาดนาโนเมตรลงในเมทริกซ์ของเซรามิก ซึ่งพบว่าสมบัติ ของวัสดถุ กู ปรบั ปรุงทงั้ ในดา้ นความเหนยี ว แตกหัก และความแขง็ แรงของเซรามิก ดว้ ยอนุภาคระดับนาโนเมตรทีฝ่ ัง อยู่ในเมทริกซ์ ซึ่งเกิดจากการรวมกันของนาโนเซรามิกในเนื้อวัสดุเซรามิก นาโนโลหะในเซรามิก หรือนาโนเซรามิก ในโลหะ นอกจากน้ยี ังมีความเปน็ ไปได้ในการรวมพอลเิ มอรเ์ ข้าในเซรามิก โดยตอ่ ไปนี้จะเป็นตวั อย่างของนาโนคอม โพสติ อนินทรยี ท์ มี่ กี ารปรับปรุงสมบัตโิ ครงสร้าง การรวมกนั ของอนภุ าคนาโน SiC และ Si3N4 ท่ีละเอียดในอลูมินาเมทรกิ ซ์ (Al2O3) ซ่ึงเป็นโครงสรา้ ง วัสดุ เซรามิก) แสดงให้เหน็ ถงึ แนวคิดแรกของโครงสร้างนาโนคอมโพสติ การกระจายตัวของอนภุ าคเหล่านี้แสดงใหเ้ ห็นว่า ช่วยเพ่ิมความแข็งแรงแตกหักจาก 3 เป็น 4.8 MPa และมีความแข็งแรงเพ่ิมข้ึนจาก 350 เป็น 1,050 MPa ท่ีการ เติม SiC เพียง 5% โดยปรมิ าตร ความเป็นไปไดห้ น่ึงสาหรับการประดษิ ฐ์เซรามกิ โครงสร้างขั้นสงู คอื การกระจายตวั ของอนภุ าคโลหะ เฟสท่ี สองลงในเซรามิกเพ่ือช่วยปรับปรุงสมบัติเชงิ กล เช่น ความเหนียว การแตกหัก และมีอิทธิพลต่อสมบัติอ่นื ๆ รวมถึง

128 สมบตั ิทางแมเ่ หลก็ และแสง นาโนคอมโพสติ ประเภทน้ี ได้แก่ Al2O3/W หรือ MgO/Fe ซ่งึ เป็นคอมโพสิตเฟสเซรามกิ ท่ฝี งั ดว้ ยเมด็ โลหะขนาดนาโน นอกจากนี้ยงั สามารถเตรียมฟิลม์ บางจากเซรามกิ ทฝ่ี ังดว้ ยอนภุ าคโลหะขนาดนาโน ซ่งึ พบวา่ ฟิลม์ สามารถเปลยี่ นจากฉนวนเปน็ ตวั นาไฟฟ้าได้ เซรามิกที่มีประสิทธิภาพสูงเป็นที่ต้องการในการใช้งานท่ีหลากหลาย เช่น กังหันลมท่ีมีประสิทธิภาพสูง วัสดุการบินและอวกาศ รถยนต์ เปน็ ตน้ โดยสาขาของเซรามิกส์ท่มี ุ่งเนน้ การปรบั ปรงุ สมบตั เิ ชงิ กลจะเรียกว่า เซรามิ กโครงสร้าง (Structural ceramics) โดยเทคโลยีเซรามิกคอมโพสิตนีส้ ามารถนาไปประยกุ ต์ใช้ในงานต่างๆ เชน่ เฟอ โรอิเล็กทริก (Ferroelectric) เพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric) วาริสเตอร์ (Varistor) และวัสดุตัวนาไอออน ใน กรณีนสี้ มบตั ิของนาโนคอมโพสิตจะเกี่ยวข้องกับพฤติกรรมแบบไดนามิกของชนดิ ไอออนและอิเลก็ ทรอนิคส์ในวัสดุอิ เลก็ โตรเซรามกิ (Electro-ceramic materials) 6.5.2 วัสดนุ าโนโลหะคอมโพสิต (Nanometallic Composites; NMMCs) วัสดุนาโนโลหะคอมโพสิตเป็นนาโนคอมโพสิตอนินทรีย์ (Inorganic nanocomposites) ที่เมทริกซ์เป็นสา รอนนิ ทรียจ์ าพวกโลหะ และเสริมแรงด้วยอนภุ าคระดับนาโนหรอื โครงสร้างนาโนของสารอนินทรยี ์ (เช่น โลหะ) หรือ อินทรีย์ธรรมชาติ (เช่น คาร์บอน) ความเป็นไปได้อีกประการหน่ึงคือการเสริมแรงด้วยเซรามิกท่ีละเอียดและแข็ง ให้กบั โลหะทม่ี คี วามเหนยี วหรอื โลหะผสมเมทรกิ ซ์ (คอมโพสติ เมทริกซโ์ ลหะหรอื MMC) การเสรมิ แรงสามารถเป็นได้ ทั้งในรูปแบบของอนุภาค (เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์ อลูมิเนียมออกไซด์) เส้นใย (เช่น ซิลิกอนออกไซด์ คาร์บอน) หรือ ส่วนผสมของท้ังคู่ (การเสริมแรงแบบไฮบริด) วัสดุที่ผลิตโดยวิธีนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในอุตสาหกรรมการบิน ยาน ยนตแ์ ละอากาศยาน ข้อดีของ MMC คอื การรวมเข้าด้วยกนั ของสมบัตขิ องโลหะ (ความเหนยี ว) และสมบตั ิของเซรา มิก (ความแขง็ และโมดูลสั สูง) นาไปสู่วัสดุท่มี ีความแข็งแรงเฉอื นและบีบอัดมากข้ึน และเพมิ่ ความสามารถในการใช้ งานท่ีอุณหภูมิสูงขึ้น สมบัติของ MMC ถูกควบคุม โดยขนาดและปริมาตรของวัสดุเสริมแรง รวมท้ังสมบัติระหว่าง รอยต่อของเมทริกซ์และสารเสริมแรง โดยในปัจจุบันมีความสนใจในการรวมกันของอนุภาคนาโน และท่อนาโน สาหรับการใชง้ านโครงสรา้ ง เนอื่ งจากวสั ดเุ หล่านีแ้ สดงสมบัตทิ ดี่ ที ้ังทางกายภาพ และทางกลเมื่อเทยี บกบั MMC ทีม่ ี การเสริมแรงดว้ ยอนุภาคขนาดไมครอน โดยพบวา่ การเตมิ ท่อนาโนคารบ์ อนเป็นอกี วิธีในการสร้างคอมโพสิตที่มคี วามหนาแน่น และมีสมบัตทิ างกลท่ี เพิ่มขึ้น เช่น อลูมินาท่ีผ่านกระบวนการกดอัดด้วยความร้อน (Hot press) และมีการเติมท่อนาโนคาร์บอนส่งผลให้ คอมโพสิตมีน้าหนักเบา แต่มีความแข็งแรงและความทนทานต่อการแตกหักเพิ่มข้ึน เมื่อเทียบกับผลึกอะลูมินา ซึ่ง เงื่อนไขการเตรียมน้ันมีอิทธิพลอย่างมากต่อสมบัติของวัสดุ ในโลหะคอมโพสิตเมทริกซ์ (MMCs) การเติมท่อนาโน คารบ์ อนมีผลอย่างมากต่อสมบตั ิ โดยพบว่าวสั ดุมีความแขง็ แรง ความแข็ง และค่าการนาไฟฟ้าที่สูงกว่าเม่ือเทียบกับ โลหะธรรมดา 6.5.3 นาโนพอลิเมอรค์ อมโพสติ (Nanopolymer Composites; NPMCs) พอลิเมอร์นาโนคอมโพสิต (Polymer nanocomposites) เป็นวัสดุคอมโพสิตที่เมทริกซ์เป็นสารอินทรีย์คือ โพลเี มอร์ เสรมิ แรงด้วยอนุภาคระดับนาโนหรือโครงสร้างนาโนของสารอนินทรีย์ หรือสารอินทรีย์ธรรมชาติ (เช่น ดิน เหนยี ว)

129 พอลิเมอร์คอมโพสติ เปน็ วัสดุทพ่ี อลเิ มอรถ์ ูกเตมิ ด้วยสารอนนิ ทรยี ์สังเคราะห์หรือสารประกอบธรรมชาติ เพื่อ เพิ่มสมบตั ิตา่ งๆ เช่น ความต้านทานความรอ้ น หรือความแขง็ แรงเชิงกล หรือลดสมบัติอ่ืน ๆ เชน่ การนาไฟฟ้า หรือ การซึมผ่านของกา๊ ซ เชน่ ออกซเิ จน หรอื ไอนา้ วสั ดุที่มีการเติมสารตวั เติมถกู นามาใชเ้ พื่อเตรยี มคอมโพสิตท่มี ีสมบัติ ทีเ่ หมาะสม ยกตวั อย่างเช่น เสน้ ใยคารบ์ อนที่มีคา่ โมดลู ัสสงู แต่เปราะจะถูกเตมิ เข้าไปในพอลเิ มอร์โมดลู สั ตา่ เพือ่ ให้ได้ พอลิเมอร์ทมี่ ีความแขง็ ความเหนียวและนา้ หนกั เบาทีม่ คี วามเหนยี ว โดยท่ัวไปพอลิเมอร์คอมโพสิตจะถูกเติมด้วยพอลิเมอร์ส่งผลให้วัสดุเหล่าน้ี ไม่เกิดอันตรกิริยาท่ีรอยต่อเฟส ระหว่างวสั ดุผสมทงั้ สอง การพฒั นาวสั ดุในกลมุ่ นที้ าได้โดยการเติมสารตวั เติมขนาดเล็ก ในช่วงไม่ก่ปี ีที่ผ่านมานักวทิ ยาศาสตร์ได้เร่มิ คน้ หาวิธีการใหมใ่ นการผลิตพอลิเมอร์คอมโพสิต โดยการใช้สาร ตัวเติมในระดับนาโน ซ่ึงมีขนาดต่ากว่า 100 นาโนเมตรอย่างน้อยหนึ่งมิติ ยกตัวอย่างเช่น อนุภาคนาโน ท่อนาโน และวัสดุชั้นนาโนอนินทรีย์ เช่น ดินเหนียว (Clays) คอมโพสิตทใี่ ช้สารตัวเติมนาโนถกู นามาใช้งานนานกวา่ ศตวรรษแล้ว เช่น พอลิเมอรท์ ี่เติมดว้ ยคาร์บอนแบล็ค (Carbon black) และฟูมซิลิกา (Fume silica) ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของแรงบันดาลใจในการศึกษาสมบัติท่ีพบในพอลิ เมอร์นาโนคอมโพสติ พร้อมกบั การพฒั นากระบวนการทางเคมขี องอนภุ าคนาโนทส่ี าคัญและกระบวนการกาเนดิ ของ นาโนคอมโพสิต หนึ่งในสาเหตุทพ่ี บมากทสี่ ุดในการเพ่ิมสารตัวเตมิ ให้กบั โพลเิ มอรค์ ือการปรบั ปรุงสมบัตเิ ชิงกล โดย ในคอมโพสิตแบบดัง้ เดิมนั้นพบว่าความเหนียวของพอลิเมอร์และความแข็งแรงจะลดลง เนื่องจากความเครียดที่เกิด จากสารตัวเติม ซึ่งพบว่าสารตัวเติมนาโนท่ีมีการกระจายตัวที่ดี เช่น อนุภาคนาโน หรือท่อนาโน สามารถปรับปรุง โมดลู ัส (Modulus) ความแข็งแรงและรักษาความเหนยี วของวสั ดุได้ เนื่องจากขนาดท่เี ล็กไมส่งผลให้เกดิ ความเครยี ด ขน้ึ ภายในวสั ดุ โดยความตอ้ งการหลกั ในการเตมิ สารตวั เติมนาโนคอื การกระจายตัวของสารตวั เติมท่ีเป็นเน้ือเดียวกัน ในพอลิเมอร์เมทรกิ ซ์ แม้วา่ ในปที ่ีผ่านมางานวจิ ัยทางดา้ นวิทยาศาสตร์ในด้านน้จี ะมีความก้าวหน้าอย่างมาก แต่ทว่า ยังมีคาถามและปัญหามากมายในการเตรียมพอลิเมอร์นาโคอมพอสิตท่ีต้องได้รับการแก้ไข ซ่ึงสิ่งท่ีเป็นที่ชัดเจนใน ขณะน้ีก็คือการใช้สารตัวเติมระดับนาโนนั้นนไปสู่การพัฒนาวัสดุที่มีสมบัติพิเศษ ยกตัวอย่างเช่น อนุภาคนาโนไม่ กระเจิงแสง ดังนั้นจึงเปน็ ไปได้ทีจ่ ะสร้างพอลิเมอรค์ อมโพสิตทีม่ ีสมบตั ทิ างไฟฟา้ หรอื ทางกลท่ีเปล่ียนแปลงไปแตย่ งั มี ความใส อนุภาคนาโนยังเป็นที่สนใจไม่เพียงแต่มีขนาดที่เล็ก แต่ยังมีสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ท่ีซ่อนอยู่ ตัวอย่างเช่น ทอ่ นาโนคารบ์ อนแสดงคา่ มอดูลัสยืดหยุ่น (Elastic modulus) ที่สงู ถึง 1 TPa และมีความแข็งแรง (Strengths) สูง ถึง 500 GPa ซึง่ สามารถนาไปประดิษฐพ์ อลิเมอร์คอมโพสติ ท่มี ีความแข็งแรงและยดื หยุ่นเปน็ พเิ ศษได้ นอกจากน้ียงั ส่งผลต่อสมบตั ทิ างไฟฟา้ โดยท่อนาโนคาร์บอนมีค่าการนาไฟฟ้ามากกว่ากราไฟท์ ตัวอย่างเช่น คอมโพสิตระหว่างท่อนาโนคาร์บอนกับพอลิฟีนิลลีนไวนิลลีน (Poly(p-phenylene vinylene; PPV) มีค่าการนา ไฟฟ้าเพ่ิมข้ึนอยา่ งมาก ซ่ึงมคี า่ การนาไฟฟา้ สงู ถึง 8 เท่าเมือ่ เปรียบเทยี บกับ PPV ปกติ และพบว่าวสั ดผุ สมของทอ่ นา โนคาร์บอนกับพอลิไวนิลแอลกอฮอล์ (Polyvinylalcohal; PVA) มีค่าการนาไฟฟ้าเพ่ิมข้ึน 4.5 เท่าเม่ือเทียบกับ PVA ปกติ วัสดุคอมโพสิตของท่อนาโนคาร์บอนกับพอลิเมอร์ยังมีแนวโน้มในการใช้งานในอุปกรณ์เปล่งแสง (Light- emitting devices) โดยอุปกรณไ์ ดร้ ับการพัฒนาหลงั จากการค้นพบอิเลก็ โตรลมู ิเนสเซน (Electroluminescence) จากวัสดุพอลเิ มอร์คอนจเู กต (เช่น PPV) ซึ่งขอ้ ได้เปรยี บในทางปฏบิ ตั ิของไดโอดเปลง่ แสง (LED) ทใ่ี ช้พอลิเมอร์คือมี ต้นทุนต่า ใช้แรงดันไฟฟ้าต่า ง่ายในการผลิตและมีความยืดหยุ่น นอกจากนี้การเติมท่อนาโนลงในพอลิเมอร์ยังช่วย ปรบั สีของแสงทีป่ ลอ่ ยออกมาจาก LED อินทรีย์ได้อีกด้วย

130 สมบัติท่ีโดดเด่นอีกประการหน่ึงของการใช้สารตัวเติมระดับนาโนในวัสดุคอมโพสิตนั้น คือพื้นท่ีผิวสัมผัสที่ เพม่ิ ขนึ้ อย่างมาก โดยรอยต่อระหว่างผวิ จะเปน็ ตัวควบคมุ ระดบั การเกดิ อันตรกิริยาระหว่างสารตัวเตมิ และพอลิเมอร์ ซง่ึ ส่งผลต่อสมบัติของวสั ดุ ดังนั้นความท้าทายที่ใหญ่ทสี่ ุดในวทิ ยาศาสตร์นาโนคอมโพสิตคือการเรยี นรู้ท่ีจะควบคุม รอยตอ่ ผิว (Interface) สารตวั เติมนาโนสามารถทาให้เกิดวัสดพุ อลิเมอรช์ นดิ ต่างๆ ที่มสี มบัตทิ ี่โดดเด่น โดยทว่ั ไปสารเสรมิ แรงขนาด ใหญ่น้ันมักมีข้อจากัดหรือปัญหาต่างๆ แต่เม่ือสารเสริมแรงมีขนาดเล็กลงพบว่าจะเกิดเป็นโครงสร้างที่สมบูรณ์ ซ่ึง การเสริมแรงในอุดมคติจะมีขนาดในระดับอะตอมหรือโมเลกุลและเช่ือมต่ออย่างใกล้ชิดกับโพลิเมอร์ อย่างไรก็ตาม การใช้สารตัวเติมระดบั นาโนกน็ าไปสู่ความท้าทายในกระบวนการผลติ เน่อื งจากขนาดที่เล็กและพืน้ ทผี่ ิวท่ีสูง ส่งผล ให้สารตัวเติมนาโนมีแนวโน้มท่ีจะจับตัวเป็นก้อน ไม่กระจายตัวเป็นเนื้อเดียวกันในเมทริกซ์ ส่งผลให้เกิดของผสม ระหว่างอนุภาคและเมทริกซ์ท่ีมีความหนืดสูง ซึ่งทาให้มีความท้าทายอย่างมากในการเตรียมวัสดุ แต่อย่างไรก็ตาม ความพยายามในการวิจัยวัสดุเหล่านี้จะสง่ ผลให้เกิดเข้าใจและประสบผลสาเร็จในการเตรยี มวัสดุใหม่ๆได้ในอนาคต อนั ใกล้

131 บทสรปุ การจาแนกประเภทและชนิดของวัสดุนาโนสามารถจาแนกตามระบบการจดั เรียงโครงสรา้ งและพนั ธะภายใน โครงสรา้ งของวสั ดุ ซ่งึ สามารถเป็นได้ทงั้ โลหะ เซรามกิ พอลเิ มอร์ และคอมโพสิต วสั ดุนาโนโลหะ คืออนุภาคนาโนโลหะหรอื โลหะอลั ลอยดท์ ีม่ ขี นาดเล็กระดับนาโนทีเ่ กดิ จากโครงสรา้ งท่มี ีการ ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะปฐมภูมิชนิดพันธะโลหะ (Metallic bond) เช่น นาโนซิลเวอร์ (Nano-Silver) นาโนโกลด์ (Nano-Gold) นาโนไททาเนยี ม (Nano-Titanium) เป็นต้น วสั ดุนาโนเซรามกิ คอื สารประกอบออกไซด์ (Oxide) บอไรด์ (Boride) ไนไตรด์ (Nitride) คารไ์ บด์ (Carbide) ของโลหะที่มีอนุภาคขนาดเล็กในระดับนาโนเกิดจากโครงสร้างที่ยึดเหน่ียวกันด้วยพันธะปฐมภูมิ (Primary bond) ชนิดพันธะไอออนิก (Ionic bond) ได้แก่ นาโนซิลิกา (Nano-Silica) นาโนซิงค์ออกไซด์ (Nano-ZnO) นาโนไททา เนียมออกไซด์ (Nano-TiO2) นาโนอะลูมินา (Nano-Alumina) นาโนคอปเปอร์ออกไซด์ (Nano-CuO) และนาโน คาร์บอน (Cabon-based nanomaterials) ที่มีอนุภาคขนาดเล็กในระดับนาโนและเกิดจากโครงสร้างท่ีมีการยึด เหน่ียวกันด้วยพันธะปฐมภูมิ (Primary bond) ชนิดพันธะโควาเลนต์ (Covalent bond) ได้แก่ เขม่าคาร์บอน (Carbon black) ฟูลเลอรนี (Fullerene) ท่อนาโนคาร์บอน (Carbon nanotube; CNT) เป็นต้น วัสดุนาโนพอลิเมอร์ คือสารอนิ ทรยี ์ เคมีอินทรีย์ ชีวเคมี และโปรตีนท่ีมีอนุภาคขนาดเล็กในระดับนาโนและ เกิดจากโครงสร้างท่ีมีการยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะปฐมภูมิ (Primary bond) ชนิดพันธะโควาเลนต์ (Covalent bond) ได้แก่ เสน้ ใยนาโนหรอื นาโนไฟเบอร์ (Nanofiber) ไมเซลล์ (Micelle) ซุปเปอรโ์ มเลกุล (Supramolecular) เน้ือเย่อื เทียม (Tissue engineering or Scaffolds) สารประกอบแมคโครไซคลกิ (Macrocyclic compounds) วัสดนุ าโนคอมโพสิตเปน็ วัสดุท่ัวไปที่เสริมแรงดว้ ยอนุภาคระดับนาโน หรือโครงสร้างนาโน ซ่ึงกระจายไปทั่ว วัสดุ โดยวัสดุท่ีเป็นเมทริกซ์จะไม่อยู่ในระดับนาโน โดยท่ัวไปวัสดุนาโนคอมโพสิตจะสามารถแสดงสมบัติเชิงกล ไฟฟ้า แสง การเร่งปฏิกิริยา และสมบัติโครงสร้างท่ีแตกต่างจากของแต่ละองค์ประกอบ วัสดุนาโนคอมโพสิต ประกอบด้วยวัสดุนาโนพอลิเมอร์คอมโพสิต (Nanopolymer composites; NPMCs) วัสดุนาโนเซรามกิ คอมโพสิต (Nanoceramic composite, NCMCs) และวัสดุนาโนโลหะคอมโพสติ (Nanometallic composites; NMMCs)

132 แบบฝกึ หดั ทา้ ยบท 1. จงยกตัวอยา่ งการใชง้ านวสั ดนุ าโนเซรามิกมา 2 ตัวอย่าง 2. จงอธบิ ายสมบัตขิ องทอ่ นาโนคารบ์ อนมา 2 ดา้ น 3. จงใหน้ ิยามของวัสดุนาโนคอมโพสติ 4. วสั ดนุ าโนคอมโพสติ แบ่งออกไดก้ ป่ี ระเภท อะไรบา้ ง 5. อธิบายสมบตั ิท่ีโดดเด่นในการใช้สารตวั เติมระดับนาโนในวัสดคุ อมโพสติ

เอกสารอ้างอิง _______. (2014). Size Does Matter: Nano Vs. Macroscopic Wold. สืบคน้ เมื่อ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.manuscriptedit.com/scholar-hangout/size-matter-nano-vs-macroscopic- world/ _______. (2016). Fases TiO2. สบื คน้ เม่อื 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fases_TiO2.jpg Wang, L.Z. (2004). Nanostructures of zinc oxide. Materials Today, 7, 26–33. Ma, H., Zheng, W., Luo, X., Yi, Y., & Yang, F. (2018). Simulation and analysis of mechanical properties of silica aerogels: From rationalization to prediction. Materials, 11, 214. Arjmandi, R., Hassan, A., Othman, N., & Mohamad, Z. (2018). Characterizations of carbon-based polypropylene nanocomposites. Carbon-Based Polymer Nanocomposites for Environmental and Energy Applications, pp. 57–78. Rafique, I., Kausar, A., Anwar, Z., & Muhammad, B. (2015). Exploration of Epoxy Resins, Hardening Systems and Epoxy/Carbon Nanotube Composite Designed for High Performance Materials: A Review. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 55(3). Niu, D., Li, Y., & Shi, J. (2017). Silica/organosilica cross-linked block copolymer micelles: a versatile theranostic platform. Chemical Society Reviews, 46(3), 569–585. Rangel-Yagui, C.O., Pessoa-Jr, A., & Blankschtein, D. (2004). Two-phase aqueous micellar systems - an alternative method for protein purification. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 21(4), 531 – 544.



แผนบริหารการสอนประจาบทท่ี 7 หัวขอ้ เนือ้ หา การประยกุ ต์ใช้ 7.1 การใช้งานวัสดนุ าโน 7.2 การใชง้ านนาโนอิเล็กทรอนกิ ส์ 7.3 การใช้งานนาโนเทคโนโลยชี วี ภาพ วตั ถปุ ระสงค์เชงิ พฤติกรรม เม่อื ผเู้ รียน เรยี นจบบทนแ้ี ล้วผ้เู รียนควรมีความรแู้ ละทักษะดังนี้ 1. มีความเขา้ ใจการประยกุ ต์ใชว้ ัสดุนาโนในด้านตา่ งๆ วธิ สี อนและกจิ กรรมการเรียนการสอนประจาบท 1. บรรยายเน้ือหาในแตล่ ะหัวขอ้ พรอ้ มยกตวั อยา่ งประกอบ 2. ศกึ ษาเอกสารประกอบการสอน 3. ผสู้ อนสรุปเน้ือหา 4. ผ้สู อนทาการซกั ถาม สอื่ การเรยี นการสอน 1. เอกสารประกอบการสอนวิชานาโนเทคโนโลยเี บอื้ งต้น 2. Power Point การวัดผลและประเมนิ ผล 1. ประเมินจากการซกั ถามในชัน้ เรยี น 2. ประเมินจากการทาแบบฝึกหัดทบทวนท้ายบทเรียน 3. ประเมนิ จากการสอบปลายภาค



บทท่ี 7 การประยกุ ต์ใช้ (Applications) ======================================================================== นาโนวิทยาศาสตร์และนาโนเทคโนโลยีมีแนวโน้มในการนาไปประยกุ ตใ์ ชใ้ นวสั ดวุ ิศวกรรม และวิทยาศาสตร์ ที่เก่ียวข้องมากมาย โดยพบว่าท่ีระดับนาโนเมตรน้ันสมบัติของสสาร เช่น พลังงาน ประจุ จะเปล่ียนไป ซึ่งสามารถ อธิบายทางฟิสิกส์ไดว้ า่ เป็นผลของกลศาสตร์ควอนตมั โดยพบว่าวัสดุ (เช่น โลหะ) เมื่ออย่ใู นรูปขนาดนาโนจะมีสมบัติ ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ซิลเวอรไ์ ม่เป็นพิษ แต่ทว่าอนุภาคนาโนซิลเวอรส์ ามารถฆา่ เชื้อไวรสั ได้ อีกทั้งยังพบว่าสมบัติต่างๆ เช่น สภาพการนาไฟฟ้า สี ความแข็งแรง และน้าหนักจะเปลี่ยนไปเมื่ออยู่ในระดับนาโน เมตร โลหะชนดิ เดยี วกันสามารถกลายเป็นสารกึ่งตวั นาหรือฉนวนได้ทร่ี ะดบั นาโนเมตร สมบตั ิท่โี ดดเด่นของวัสดนุ า โนอีกประการคอื ความสามารถในการจัดเรียงอะตอมตอ่ อะตอมได้ อีกทง้ั วัสดุนาโนนนั้ มีอัตราสว่ นพื้นผิวต่อปริมาตร ที่สูง ซ่ึงส่งผลกระทบที่สาคัญต่อกระบวนการท้ังหมดท่ีเกิดข้ึนท่ีพื้นผิวของวัสดุ เช่น การเร่งปฏิกิริยา และการ ตรวจจับ เป็นต้น วิทยาศาสตร์ทางด้านนาโนส่งผลกระทบอย่างมากต่อการออกแบบและการประดิษฐ์วัสดุใหม่ๆท่ี นาไปสู่นวัตกรรมและการใช้งานท่ีหลากหลาย รวมถึงการเพ่ิมสมบัติของพลาสติก เซรามิกส์ คอมโพสิต และอ่ืน ๆ อีกมากมาย ซึง่ การประยกุ ตใ์ ชเ้ ทคโนโลยีนาโนมีหลากหลายรูปแบบ ขอบเขตท่สี าคญั บางสว่ นแสดงดังรูปที่ 7.1 โดย สามารถแบ่งการประยุต์ใช้งานทางด้านนาโนเทคโนโลยีออกเป็น 3 สาขาหลัก ได้แก่ วัสดุนาโน (Nanomaterials) นาโนอิเลก็ ทรอนิกส์ (Nanoelectronics) และนาโนเทคโนโลยชี วี ภาพ (Nanobiotechnology) รูปที่ 7.1 ขอบเขตทีส่ าคัญบางสว่ นของการประยุกตใ์ ช้เทคโนโลยนี าโน (ที่มา : Naidoo & Kistnasamy, 2015)

138 7.1 การใชง้ านวสั ดนุ าโน (Nanomaterial) 7.1.1 ตวั เร่งปฏกิ ิรยิ า (Catalyst) ตวั เร่งปฏิกิริยาเป็นสารท่ีเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีโดยไม่เกิดการเปล่ียนแปลงทางเคมี ตวั เร่งปฏิกิริยา ในธรรมชาติเรียกว่าเอนไซม์ ซงึ่ สามารถคน้ หาเส้นทางสู่การเกดิ ปฏิกิรยิ าที่ใชพ้ ลังงานน้อยทส่ี ดุ และเฉพาะเจาะจงได้ ด้วยตัวเอง ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มนุษย์สร้างข้ึนน้ันไม่ค่อยมีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากนัก ซึ่งเตรียมได้จากอนุภาค โลหะเคลือบบนพ้ืนผิวออกไซด์ภายใต้ไอร้อน (Vapor deposite) หนึ่งในสมบัติท่ีสาคัญท่ีสุดของตัวเร่งปฏิกิริยาคือ พน้ื ผิวท่ีวอ่ งไวในการเกิดปฏิกิรยิ า โดยพื้นผิวท่ีวอ่ งไวจะเพ่ิมขึน้ เมื่อขนาดของตัวเรง่ ปฏิกิริยาลดลง โดยอนภุ าคตวั เร่ง ปฏกิ ริ ิยาท่ีเล็กลงจะส่งผลให้อัตราสว่ นของพ้ืนผิวตอ่ ปริมาตรมากข้นึ เมื่อพ้นื ผิวที่วอ่ งไวของตัวเร่งปฏิกิรยิ าสงู ขึ้นการ เกิดปฏิกิริยาท่ีพื้นผิวก็จะมากขึ้น จากการวิจัยแสดงให้เห็นว่าจัดการกับพื้นผิวส่วนว่องไวในตัวเร่งปฏิกิริยาก็มี ความสาคัญเช่นกัน โดยสามารถควบคมุ สมบตั ิ ไดแ้ ก่ ขนาดอนุภาค โครงสรา้ งโมเลกลุ และการกระจายตวั ไดโ้ ดยใช้ นาโนเทคโนโลยี ดังน้ันเทคโนโลยีน้มี ีศักยภาพในการออกแบบตัวเร่งปฏิกริ ิยาทม่ี ีประโยชน์สาหรับอุตสาหกรรมเคมี ปิโตรเลียม ยานยนต์ ยา และอาหาร การใช้อนุภาคนาโนที่มีสมบัติในการเร่งปฏิกิริยาช่วยลดปริมาณของวัสดุที่ใช้ อยา่ งมาก ซึ่งเปน็ ประโยชน์ต่อทางเศรษฐกิจและสงิ่ แวดล้อม ตัวอย่างที่ดีอย่างหนึ่งของการใช้นาโนศาสตร์ท่ีมีผลต่อการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาคือทองคา โดยทองคาเป็น โลหะชน้ั สูง มคี วามเสถียรไม่เปน็ พิษ ทนตอ่ การเกิดออกซิเดชันและการเกิดปฏกิ ิริยาทางเคมี ด้วยเหตผุ ลเหลา่ นี้จงึ มี การใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องประดับ ในทางตรงกันข้ามอนุภาคทองคาระดับนาโนสามารถตอบสนองต่อ ปฏิกิรยิ าทางเคมี มีการค้นพบวา่ อนุภาคนาโนทองคาบนตัวรองรับออกไซด์นั้นมีความว่องไวเป็นอย่างมาก ในหลาย กรณีพบว่าการเร่งปฏิกิริยาและความสามารถในการเลือกเข้าจับของอนุภาคนาโนทองคานั้นสูงกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา โลหะทรานซิชัน (Transition metals) ที่ใช้กันท่ัวไป เช่น แพลตตินัม (Platinum) โรเดียม (Rhodium) และ แพลเลเดียม (Palladium) ซง่ึ เป็นผลลัพธ์ท่ีน่าสนใจเนอ่ื งจากโลหะอย่างแพลตติน่ัมและแพลเลเดยี มนน้ั เป็นพิษ เป็น โลหะทีห่ ายากและมีราคาแพง 7.1.2 ตัวตรวจจบั (Detector) การตรวจจับสารเคมีหรือสารประกอบทางชีวภาพท่ีจาเพาะนัน้ เป็นพื้นฐานในการทางานของอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น เซ็นเซอร์ทางเคมี (Chemical sensors) เซนเซอร์ทางชีวภาพ (Biosensors) และไมโครอะเรย์ (Microarrays) ซึ่งปฏิกิริยาการตรวจจบั จะเกิดข้ึนที่รอยต่อระหวา่ งผวิ ของวัสดุ โดยความจาเพาะ และความแมน่ ยาของปฏกิ ิริยานั้น สามารถปรับปรุงได้โดยใช้วัสดุนาโน โดยอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรท่ีสูงข้ึนของวัสดุนาโนจะเพิ่มพ้ืนท่ีผิวในการ ตรวจจับได้ ซ่ึงพบว่ามีผลในเชิงบวกต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาและความจาเพาะของของปฏิกิริยาการตรวจจับ นอกจากนี้ยังสามารถออกแบบวัสดุนาโนสามารถให้มีสมบัติพื้นผิวที่เฉพาะเจาะจง (เคมีหรือชีวเคมี) โดยทาการ ปรับแต่งในระดับโมเลกุล ด้วยวิธีนี้ส่งผลให้ส่วนที่ว่องไวบนพ้ืนผิวของวัสดุสามารถทาหน้าท่ีตรวจจับ โมเลกุลท่ี เฉพาะเจาะจงได้ การประยกุ ต์ใช้วสั ดุนาโนนช้ี ว่ ยใหส้ ามารถสรา้ งอุปกรณต์ รวจจับแบบมัลติฟงั กช์ ัน (Multifunction) ขนาดเล็กได้ (คอื อปุ กรณท์ ีส่ ามารถทดสอบและตรวจวเิ คราะห์ไดม้ ากกวา่ หนึง่ ตวั )

139 7.1.3 วสั ดุยึดเกาะ (Adhesive) วสั ดุยึดเกาะท่ีได้แรงบันดาลใจจากตุ๊กแก (หรือยางชีวภาพ) ดังกล่าวไปแล้วในบทที่ 2 ในเร่ืองสมบตั ิการยึด เกาะของเท้าตุ๊กแกและโดยเฉพาะอย่างย่ิงเม่ือพบว่าสิ่งเหล่านี้ ไม่เก่ียวข้องกับกาวในเท้า แต่เป็นผลมาจากแรงวัล เดอร์วาลล์ (Van der Waals) ของเส้นขนโครงสรา้ งนาโนหลายล้านอันท่ีเรียกว่า “ซีเต้” ซึ่งทาให้ต๊กุ แกสามารถเดิน กลับหัวได้ต้านกบั แรงโนม้ ถ่วงและสามารถเดินบนพนื้ ผิวที่แตกต่างกนั แม้กระทง่ั พ้ืนผวิ ท่เี ปียก อกี ทงั้ ตกุ๊ แกยังสามารถ เดนิ บนพ้ืนผวิ ท่สี กปรกโดยไม่สญู เสียการยึดเกาะ เน่อื งจากเท้าของตุ๊กแกสามารถทาความสะอาดตวั เองได้ ซึ่งนับว่า เปน็ วสั ดทุ ่นี ่าทงึ่ อยา่ งมาก รปู ท่ี 7.2 เทปตีนตุ๊กแก (ทม่ี า : https://www.confindustrialazio.it/aziende/la-nascita-del-velcro-piccola-grande- rivoluzione-nel-mondo-dei-sistemi-fissaggi/) รปู ท่ี 7.3 การทดสอบการยดึ เกาะของเทปตุ๊กแก (ทีม่ า : https://people.eecs.berkeley.edu/~ronf/Gecko/interface08.html)

140 นกั วิทยาศาสตร์ไดร้ ับแรงบันดาลใจจากสตั ว์ชนิดน้ีในการออกแบบและประดิษฐ์การยึดเกาะสาหรบั การประ ยุกค์ใช้งานต่างๆ ตัวอย่างเช่น กลุ่มนักวิจัยท่ีมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย (University of California, Berkeley) ได้ พัฒนาพ้ืนผิวคล้ายเท้าของตุ๊กแกสาหรับใช้ในการปีนป่ายของหุ่นยนต์ แผ่นยึดเกาะสร้างข้ึนจากการจัดเรียงเส้นใย ขนาดไมครอนของโพรพิลีน 42 ล้านเส้นต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งสามารถรองรับแรงได้สูงถึง 9 N·cm-2 โดยแผ่น ขนาด 2 cm2 สามารถรองรับน้าหนักได้ 400 กรัม โดยใกล้เคียงกับแรงท่ีตุก๊ แกยึดเกาะซึ่งมีคา่ ประมาณ 10 N·cm-2 อยา่ งไรกต็ ามนักวิจยั ยังคงต้องทาการพัฒนาให้วัสดุสามารถยึดตดิ ได้กับพ้ืนผิวทกุ ชนิด และทาความสะอาดตวั เองได้ โดยได้มีการพัฒนาเทปตุ๊กแกที่ผลิตโดยใช้พอลิเมอร์ท่ีปกคลุมด้วยเส้นขนท่อนาโนคาร์บอนซึ่งสามารถเกาะติดและ ถอดออกไดบ้ นพ้ืนผวิ ทีห่ ลากหลายรวมถงึ พื้นผวิ ของเทฟลอน (Teflon) รูปที่ 7.4 แผนภาพจาลองการทาความสะอาดตวั เองของเทปตุก๊ แก (ท่ีมา : Alizadehyazdi., et al., 2018) 7.1.4 วัสดุเสริมแรง (Reinforcements) อนภุ าคนาโนโลหะถกู นามาใช้เปน็ วสั ดุเสริมแรงในโลหะผสมสาหรับการใช้งานในการก่อสร้างที่มีนา้ หนักเบา ในอุตสาหกรรมการบนิ และอวกาศ และอตุ สาหกรรมยานยนต์ ตัวอย่างเช่น อนุภาคนาโนไททาเนียมถูกนามาใช้เป็น สารประกอบโลหะผสมในเหล็ก ซ่ึงส่งผลให้วัสดุมีความความเหนียว ทนทานต่อการกัดกร่อน และทนต่ออุณหภูมิ นอกจากน้ียังมกี ารเติมอนุภาคของเหล็กคารไ์ บด์ (Iron carbide) เพอ่ื ให้มีความแข็งแรงเพิ่มข้นึ โดยอนุภาคนาโนจะ เป็นตัวขัดขวางการเคลื่อนท่ีของการเกิดตาหนิแบบเลื่อน (Dislocations defects) ในวัสดุผลึก ด้วยเหตุนี้การเติม อนุภาคนาโนลงในเมทริกซ์เหล็กนาไปสู่วัสดุใหม่ที่มีสมบัติรวมกันของวัสดุท่ีมีความแข็งแรงและความเหนียวสูงใน เวลาเดยี วกนั 7.1.5 โลหะอลั ลอยจารปู (Shape-Memory Alloys) โลหะส่วนใหญ่นัน้ มีน้าหนกั มากและต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการเปล่ยี นรปู เมื่อได้รบั การหล่อขึ้นรูป แล้ว โดยรูปร่างจะยงั คงอยู่เชน่ นนั้ จนกวา่ จะมแี รงมากระทา ซึ่งพบว่าโลหะจารปู (Shape-memory alloys; SMAs)

141 น้ันมีความแตกต่างจากโลหะทั่วไป โดยสามารถตั้งโปรแกรมให้วัสดุจดจารูปร่าง เมื่อโลหะถูกบิดงอหรือผิดรูปจะ สามารถกลับสู่รูปร่างดั้งเดิมได้อย่างรวดเร็ว เน่ืองจากโลหะจารูปมีโครงสร้างผลึกระดับนาโนที่แตกต่างกันสอง รปู แบบและสามารถทาให้เปลีย่ นไปมาได้ ทเี่ รยี กว่าพาเรนต์เฟส (Parent phase) หรือเฟสออสเทนไนต์ (Austenite phase) ซ่ึงจะเกิดข้ึนเมื่อโลหะอยู่ทอี่ ณุ หภูมสิ ูง เม่ือทาการข้ึนรูปท่อี ุณหภูมิสูงโลหะจะ จดจารปู ร่างไว้ เม่ือโลหะเย็น ตัวลงโครงสร้างผลึกจะเปล่ียนไปเป็นเฟสท่ีสอง ที่เรียกว่า มาร์เทนไซต์ (Martensite) และเมื่อค่อยๆให้ความร้อน โลหะจะกลบั คนื สู่รปู รา่ งเดิม รปู ที่ 7.5 โครงสร้างผลึกของโลหะจารปู ทส่ี มั พันธ์กับความเคน้ และอณุ หภมู ิ (ที่มา : Han, et al., 2016) รปู ท่ี 7.6 การใชง้ านลวดนิตินอล (Nitinol) ในการผลติ แวน่ ตาจารปู และการจดั ฟนั (ที่มา : https://themarketfact.com/2019/05/27/global-shape-memory-alloys-market-progress-2019/) (ทม่ี า : https://www.autodesk.com/redshift/shape-memory-alloys/)

142 การใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ “ความยดื หย่นุ แฝง” (Pseudo elasticity) เชน่ แว่นตาท่ีทาจากโลหะจา รูป ในกรณีน้ีโลหะอยู่ในเฟสออสเทไนต์ที่อุณหภูมิห้องและจะเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์เม่ือได้รับความเครียด จากนั้นโลหะจะเปล่ียนกลับเป็นเฟสออสเทนไนต์สู่รูปร่างเดิมเมื่อปล่อยแรง นอกจากน้ียังมีการใช้ลวดนิตินอล (Nitinol) ในการจัดฟนั เมือ่ ติดต้ังลวดนติ ินอลในปากอุณหภูมิจะเพิ่มข้ึนถึงอุณหภูมขิ องรา่ งกาย ส่งผลให้วัสดุหดตัว กลับสู่รูปร่างเดิม ซ่ึงส่งผลให้เกิดแรงที่คงที่กับฟัน โดยการใช้ลวดนิตินอลไม่จาเป็นต้องมีการขันให้แน่นบ่อย เหมอื นกับการใชล้ วดสแตนเลสทัว่ ไปเม่อื ฟนั เคลือ่ นตัว 7.1.6 สารเคลือบนาโน (Nanocoatings) สารเคลือบนาโนเป็นนาโนคอมโพสิตชนิดหนึ่ง โดยความหนาของช้ันสารเคลือบนาโนส่วนใหญจ่ ะมีขนาดอยู่ ที่ 1-100 nm จากการศึกษาพบวา่ สารเคลือบนาโนสามารถเปลย่ี นสมบตั ิของวัสดบุ างชนดิ ได้ เชน่ เปลยี่ นการสง่ ผ่าน แสงในช่วงที่ตามองเห็น (Visible) และช่วงอินฟราเรด (Infrared; IR) ได้ หรือส่งผลให้เกิดสมบัติใหม่ เช่น ปรากฏการณ์ทาความสะอาดตัวเอง (Self-cleaning effects) โดยสารเคลือบชนิดหนึ่งท่ีสาคัญในการนาไป ประยกุ ต์ใชง้ านคอื สารเคลอื บแบบไตรโบโลจี (Tribology) โดยไตรโบโลจีคือวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของการเกิด อนั ตรกริ ยิ าทพี่ น้ื ผิวทีส่ ัมพันธ์กบั เคลื่อนที่ ซง่ึ สมบัติทางไตรโบโลจปี ระกอบด้วยแรงเสียดทาน การหล่อล่ืนและการสึก หรอ การเคลือบแบบไตรโบโลจีเป็นการเคลือบผิวท่ีนาไปใช้กับพ้ืนผิวของส่วนประกอบที่ต้องการควบคุมแรงเสียด ทานและการสึกหรอ โดยในการใช้งานการเคลือบนาโนนยิ มเตรียมในรูปของฟิล์มบาง 7.1.6.1 สารเคลอื บแบบไตรโบโลจี (Tribology Nanocoatings) การเคลือบแบบไตรโบโลจีมีบทบาทสาคัญสาหรับการใช้งานในส่วนประกอบเชิงกลภายในของยานพาหนะ เช่น เครื่องยนต์ และระบบส่งกาลัง นอกจากนี้ยังเปน็ องค์ประกอบสาคัญสาหรับเครอ่ื งมือตดั และเครื่องจกั รท่ัวไป โดยการลดการสึกหรอและการเสียดสี ส่งผลให้เคร่ืองจักรต่างๆมีอายุการใช้งานเพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกันยังช่วยลด พลังงานความร้อน ซ่ึงเป็นการเพิม่ ประสทิ ธภิ าพในการทางานของเครอ่ื งจกั ร เม่อื นาไปใชก้ บั เคร่อื งจกั รและเคร่ืองมอื พบว่าการเคลอื บแบบไตรโบโลจสี ามารถลด (หรือกาจัด) ความต้องการนา้ มนั หล่อลื่น เพิ่มความเร็วในการทางาน ลด คา่ บารงุ รักษา และลดเวลาในการทางาน วสั ดุดั้งเดมิ ทใ่ี ช้ในการเคลอื บผวิ สาหรับการใช้งานทางไตรโบโลจี ไดแ้ ก่ คาร์ไบด์ (Carbides) ซีเมนตค์ าร์ไบด์ (Cemented carbides) โลหะเซรามกิ ออกไซด์ (Metal ceramic oxides) และ ไนไตรด์ (Nitrides) และสารเคลอื บ คาร์บอน เนื่องจากโครงสร้างจุลภาคน้ันเป็นตัวควบคุมสมบัติทางกายภาพของสารเคลือบ ดังนั้นการที่วัสดุมี โครงสร้างจุลภาคระดับนาโนอาจนาไปสู่การปรับปรงุ ของสมบตั เิ ชิงกลของสารเคลือบผวิ (เช่น ความแข็ง) สมบตั ทิ าง เคมี (เช่น ความต้านทานการกัดกร่อน) และสมบัติทางไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้สารเคลือบนาโนคอมโพสิตจึงถูกใช้เป็น ทางเลอื กหนึง่ ในปรบั ปรงุ สมบัตขิ องวสั ดุ เช่น ความแข็ง โดยพบวา่ สารเคลือบนาโนคอมโพสติ แบบฟิลม์ บางหลายช้ัน (Multilayered films) ให้ค่าความแข็ง การต้านทานต่อการสึกหรอ และโมดูลัสยืดหยุ่นที่สูงข้ึนกว่าฟิล์มบางที่มี องค์ประกอบเป็นเนื้อเดียว โดยสารเคลือบหลายชั้นระดับนาโนท่ีมีการใช้กันในทางการค้า เช่น สารเคลือบของ WC/C ที่ใช้ในอตุ สาหกรรมเครือ่ งมอื ตัด นอกจากนย้ี ังมสี ารเคลือบของฟลิ ์มทีม่ กี ารสลบั ชั้นกนั ระหวา่ ง TiN กบั NbN หรอื TiAlN กบั CrN ซ่งึ พบวา่ มปี ระสิทธิภาพมากกว่าฟิล์ม TiAlN เดีย่ วๆ

143 7.1.6.2 สารเคลอื บนาโนที่ตอบสนองได้ (Responsive Coatings) สารเคลือบนาโนทีต่ อบสนองได้ คือสารเคลือบท่มี ีสมบัติในการตอบสนองต่อสภาวะแวดล้อม เช่น แสง หรือ ความร้อน ท้ังในกรณีท่ีเป็นแบบพาสซีฟ (Passive) หรือแบบแอคทีฟ (active) สารเคลือบเหล่าน้ีส่งผลให้วัสดุมี สมบัตเิ ปลยี่ นไป ยกตวั อย่างเชน่ การใชง้ านบนกระจก รูปที่ 7.7 กระจกอเิ ล็กโตรโครมิก (ท่ีมา : https://www.sageglass.com/eu/article/what-electrochromic-glass) การใช้กระจกเป็นสิ่งท่ีพบเห็นได้ทั่วไปในอาคารสมัยใหม่เนื่องจากช่วยให้อาคารมีความโปร่งแสง และมี โครงสร้างที่ดูเบา อย่างไรก็ตามพบว่าจะมีการส่องผ่านของแสงในช่วงที่ตามองเห็น (Visible) และช่วงอินฟราเรด (Infrared; IR) สงู ซึ่งเป็นข้อเสยี ทสี่ าคัญที่นาไปสู่การถ่ายเทความร้อนเขา้ สู่อาคารซึ่งเป็นที่ไมพ่ ึงประสงค์ โดยเฉพาะ อย่างย่งิ ในฤดูรอ้ น และเกิดการกระจายของความร้อนภายในอาคารออกสู่ภายนอกผ่านกระจกซ่ึงเปน็ การส้ินเปลือง พลังงานในการใชเ้ ครือ่ งทาความร้อนในฤดูหนาวอีกด้วย เพอ่ื ท่ีจะแกไ้ ขปญั หาเหล่าน้จี ึงมกี ารศึกษาสารเคลือบนาโนที่ สามารถปรับการส่งผ่านแสงของกระจกได้ โดยมีจดุ มงุ่ หมายคือเพือ่ ลดความรอ้ นภายในอาคารในช่วงฤดรู อ้ น ช่วยลด พลังงานในการใช้เคร่ืองปรับอากาศซึ่งเป็นการประหยัดพลังงาน โดยมีการเคลือบผิวชนิดหน่ึงที่น่าสนใจ เรียกว่า “Low-e” ซ่ึงหมายถึงมีการแผ่รังสีตา่ (Emissivity) โดยทาจากฟิล์มบางของเงิน ท่ีมีความหนาของชน้ั ฟิล์มประมาณ 10 นาโนเมตร ประกบด้วยด้วยช้ันของสารไดอิเล็กทริก โดยพบว่าส่วนใหญ่จะใช้ช้ันโลหะเพ่ือเพิ่มการสะท้อนแสง

144 ของแสง (และลดการส่งผ่าน) แต่มขี ้อเสียลดความใสของกระจก ซ่ึงจะประพฤตติ ัวคล้ายกระจกเงา แต่พบว่าเงนิ จะ สูญเสียลักษณะที่เป็นโลหะเม่ือถูกเตรียมในรูปแบบฟิล์มบางระดับนาโน ซึ่งช่วยแก้ปัญหาท่ีเกิดขึ้นได้และยังคงให้ กระจกท่ีมีความใส ปัจจุบันการเคลือบดังกล่าวน้ีได้มีการพัฒนาไปในรูปแบบทางการค้าโดยวอน อาร์เดนเน่ (Von Ardenne) รปู ที่ 7.8 กระจกโฟโตโครมิก (ทีม่ า : https://www.telegraph.co.uk/technology/news/10243401/Smart-glass-may-mean-it- is-curtains-for-window-blinds.html) สารเคลือบแบบ “Low-e” เป็นการเคลือบแบบพาสซีฟ (Passive nanocoatings) เนื่องจากสมบัติของช้ัน ฟิล์มไม่ถูกรบกวนระหว่างกระบวนการทางาน การเคลือบผิวอีกชนิดหน่ึงท่ีใช้ในกระจกคือแบบไดนามิกหรือ “การ เคลือบอจั ฉริยะ” (Smart coatings) ในกรณนี ้ีสภาพแวดล้อม เชน่ ความเขม้ ของแสงหรือ อุณหภูมิจะเหน่ยี วนาให้ เกิดการเปล่ียนแปลงสมบัติของสารเคลือบผิว (เช่น การทาให้กระจกมืดลง) โดยการทาให้กระจกเกิดการ เปล่ียนแปลงของสี (รวมถึงการเปลี่ยนแปลงความโปร่งใส) จะเรียกว่าวัสดุอัจฉริยะโครโมจีนิก (Chromogenic smart materials) การเปล่ียนแปลงสามารถควบคุมได้โดยการกดปุ่มควบคุม ซ่ึงในกรณีของการเปล่ียนแปลงการ ส่องผ่านของแสงเมื่อให้แรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กจะเรียกว่าการเคลือบแบบอิเล็กโตรโครมิก (Electrochromic coatings) และในกรณีของการเปลีย่ นแปลงการสอ่ งผา่ นของแสงเมือ่ ได้รับก๊าซทีจ่ าเพาะเรยี กว่าการเคลอื บแบบก๊าซ โครมิก (Gaschromic coatings) โดนวิธีแบบใช้ก๊าซน้ันจะใช้ฟิล์มบางของทังสเตนออกไซด์ (WO3) ซ่ึงจะเปล่ียนสี จากไม่มสี ีเป็นสีน้าเงินเม่อื อยใู่ นก๊าซไฮโดรเจนท่ีมตี ัวเร่งปฏิกิริยาท่ีเหมาะสม โดยฟิล์มจะประกอบด้วยช้นั ของ WO3 ที่มีตัวเร่งปฏกิ ิริยาอยู่ด้านบน จากนน้ั ก๊าซไฮโดรเจนจะถูกป้อนเข้าสู่ช่องว่างทาให้เกิดสี (ไฮโดรเจน 1.1-10% ซึ่งต่า กว่าความเข้มข้นที่ทาให้เกิดความเปลวไฟ) หากต้องการเปลี่ยนสีของหน้าต่างจะทาการใส่ก๊าซชนิดอ่ืนเข้าไป (ออกซิเจน) นอกจากนี้การเคลือบแบบอัจฉริยะ (Smart coatings) นั้นยังสามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลง ของอุณหภูมิภายนอกเรียกว่าเทอร์โมโครมิก (Thermochromic) หรือแสงตกกระทบเรียกว่าโฟโตโครมิกได้ (Photochromic) ตัวอย่างอน่ื ๆของนาโนเทคโนโลยที ี่ใชก้ ับสารเคลือบผิวอจั ฉริยะคือการใช้ฟิลม์ ท่ีสามารถเลือกชว่ ง ความยาวคลื่นได้ในการผลติ “กระจกสะท้อนความร้อน” (Heat mirrors) หนง่ึ ในวัสดุเหลา่ น้ีคอื อนิ เดยี มทนิ ออกไซด์ (ITO) ซึ่งเป็นตัวดูดกลืนแสงอินฟราเรด โดยพบว่าการเคลือบ ITO ขนาด 300 นาโนเมตรบนกระจกให้การส่งผ่าน แสงในช่วงความยาวคลื่นหลักของแสงแดด มากกว่า 80% ซ่งึ สมบัตกิ ารส่งผ่านแสงของกระจกสามารถเปลี่ยนแปลง

145 ได้ด้วยการเปลย่ี นแปลงความหนาและองค์ประกอบของวัสดุสารเคลือบผิว ดังนั้นจึงสามารถใชก้ ารผสมกันของวัสดุ ในการผลิตกระจกอัจฉริยะท่สี ะท้อนพลงั งานแสงอาทติ ยใ์ นฤดูรอ้ น แตส่ ง่ ผ่านพลังงานแสงอาทิตยใ์ นฤดหู นาว 7.1.6.3 สารเคลอื บแบบชอบนาย่งิ ยวด (Superhydrophilic Coatings) อีกตัวอย่างหนึ่งของการเคลือบนาโน (Nanocoatings) ท่ีใช้ถูกนาไปใช้งานได้คือการเคลือบแบบตัวเร่ง ปฏิกริ ิยาด้วยแสง (Photocatalytic coatings) ซึ่งในเชงิ พาณชิ ยจ์ ะใช้เปน็ กระจกที่ทาความสะอาดตัวเองได้ (Self- cleaning) โดยใชส้ มบัตกิ ารเรง่ ปฏกิ ิรยิ าของไทเทเนยี มไดออกไซด์ (TiO2) เมอ่ื ได้รับรงั สี UV สารเคลอื บจะกลายเป็น วัสดุชอบน้าย่ิงยวด (Superhydrophilic) ดังน้ันน้าฝนจะเกาะติดกับกระจกที่ให้เกิดการทาความสะอาดตัวเอง ตัวอย่างในเชิงพาณิชย์ของกระจกตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงคือกระจกทาความสะอาดตัวเอง “Pilkington Activ ™” การเคลือบแบบชอบน้ายิ่งยวด (Superhydrophilic) น้ันมีประโยชน์สาหรับการเคลือบพื้นผิวที่ป้องกันการเกิดฝ้า สารเคลือบชนิดนีผ้ ลิตโดยใชส้ ารละลายหรอื คอลลอยด์ท่ีชว่ ยลดแรงตงึ ผวิ ของวสั ดุ (แกว้ ) ซ่งึ สารทส่ี ามารถใช้เป็นสาร ป้องกันการเกิดฝ้า ได้แก่ สารลดแรงตึงผิว (เช่น สบู่) ไฮโดรเจล อนุภาคนาโนท่ีชอบน้า และคอลลอยด์ โดยสาร ปอ้ งกนั การเกดิ ฝา้ จะทาให้ฟิล์มบางไม่อนุญาตใหเ้ กิดการก่อตัว ของหยดน้า แตจ่ ะทาใหโ้ มเลกุลของน้าแพร่กระจาย บนพน้ื ผิว โดยฟิล์มจะช่วยลดแรงตึงผิวของของเหลว (แรงตึงผิวเป็นผลมาจากแรงยึดเหน่ียวระหว่างโมเลกลุ ท่ีทาให้ เกิดการก่อตัวของหยดน้าเป็นทรงกลม) ซึ่งในกรณีของน้านั้นจะมีแรงตึงผิวสูงมาก (ด้วยเหตุนี้น้าจึงชอบก่อตัวเป็น หยด) สารปอ้ งกันการเกดิ ฝ้าจะทาใหน้ ้ากระจายตัวบนพ้ืนผิวไมก่ ่อตัวเป็นหยด ซ่ึงช้ันฟิล์มมีความบางมากจึงไม่เกิด การกระเจงิ แสง กระจกจงึ ยงั คงโปรง่ ใส รูปท่ี 7.9 กระจกเคลือบแบบชอบนา้ ย่งิ ยวด (ท่ีมา : https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=36009.php) 7.1.6.4 สารเคลอื บแบบไม่ชอบนาย่งิ ยวด (Superhydrophobic Coatings) สารเคลือบแบบไม่ชอบน้าย่ิงยวด (Superhydrophobic) จะมีสมบัติตรงกันข้ามกับการเคลือบแบบชอบน้า ย่ิงยวด โดยหยดน้าจะมีมุมสัมผัสบนพื้นผิวท่ีสงู มากและก่อตัวจนเกอื บจะเป็นหยดทรงกลม สารเคลือบแบบไม่ชอบ

146 น้าย่ิงยวดจะมีพื้นผิวท่ีเลียนแบบพ้ืนผิวท่ีพบในใบบัว และมีการพัฒนานาไปประยุกต์ใช้งานต่างๆที่ต้องการความ ตา้ นทานตอ่ ส่งิ สกปรกและทาความสะอาดงา่ ย เช่น กระจกตามอาคารหรอื ตกึ สูงท่ยี ากต่อการทาความสะอาด รปู ที่ 7.10 กระจกเคลอื บแบบไมช่ อบน้าย่งิ ยวด (ที่มา : https://atriainnovation.com/en/recubrimientos-superhidrofobos/) 7.2 การใชง้ านนาโนอิเล็กทรอนกิ ส์ (Nanoelectronic) 7.2.1 ผลึกเหลว (Liquid Crystals) ผลึกเหลวเป็นสถานะท่ีสี่ของสสาร มีสมบัติระหว่างของเหลวท่ัวไปและผลึกของแข็ง โดยมีสมบัติเหมือน ของเหลวและแสดงการจดั เรียงตัวของโมเลกลุ ต่อกันเชน่ เดียวกับผลึกของแขง็ ในการจาแนกประเภทของผลึกเหลว (รวมทงั้ พอลิเมอร์และคอลลอยด์) จะแยกออกเป็นสสารอ่อนนุ่ม (Soft matter) และสสารควบแน่น (Condensed matter) สมบัติท่ีน่าสนใจและเป็นเอกลักษณ์ของระบบผลึกเหลวคือการเปลี่ยนแปลงโมเลกุล และซูเปอร์โมเลกุล อย่างรุนแรงจากการรบกวนภายนอกเพียงเล็กน้อย ยกตัวอย่างเช่น โมเลกุลในผลึกเหลวจะจัดเรียงตัวใหม่ด้วย สนามไฟฟ้าทค่ี ่อนขา้ งอ่อน ผลึกเหลวเป็นวัสดุที่เป็นระเบียบบางส่วน โดยอยู่ระหว่างเฟสท่ีเป็นของแข็งและของเหลว ซึ่งหมายถึงผลึก เหลวจะรวมความสามารถในการไหลของของเหลวธรรมดากับสมบตั ทิ น่ี ่าสนใจทางไฟฟ้าและสมบัตทิ างแสงของผลึก ของแข็ง โมเลกุลของผลึกเหลวมักจะมีรูปร่างเป็นแท่งหรือแผ่นหรือรูปแบบอื่น ๆ ที่มีการจัดเรียงตัวตามทิศทางที่ แน่นอน โดยผลึกเหลวมีความไวต่ออุณหภูมิ โดยจะกลายเป็นของแข็งหากเย็นเกินไปและเป็นของเหลวหากร้อน เกินไป ปรากฏการณ์นี้สามารถพบไดบ้ นหน้าจอคอมพวิ เตอร์แบบพกพาเมอื่ รอ้ นจดั หรอื เย็นจดั โดยผลกึ เหลวเกดิ จากการประกอบโมเลกุลด้วยตัวเองเป็นโครงสร้างหรอื เฟสทเ่ี ป็นระเบยี บ การรบกวนจาก ภายนอก เชน่ การเปลย่ี นแปลงของอุณหภูมิหรือสนามแม่เหล็กแม้มีขนาดนอ้ ยมากก็สามารถทาใหเ้ กิดผลึกเหลวที่มี เฟสต่างกัน ซ่ึงสามารถแยกแยะเฟสที่ต่างกันได้ด้วยสมบัติทางแสงที่ต่างกัน โดยผลึกเหลวแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม ได้แก่ ผลึกเหลวเทอร์โมโทรปิก (Thermotropic liquid crystals) ประกอบด้วยโมเลกุลของสารอินทรีย์ ซ่ึง โดยทว่ั ไปเปน็ พันธะคู่ และแสดงการเปลี่ยนเฟสเม่ืออณุ หภูมเิ ปลย่ี นแปลง

147 ผลึกเหลวไลโอโทรปิก (Lyotropic liquid crystals) ประกอบด้วยโมเลกุลของสารอินทรีย์ ซ่ึงโดยท่ัวไปจะ ชอบน้า (Amphiphilic) และแสดงการเปล่ียนเฟสเมือ่ มีการเปล่ียนแปลงอุณหภูมิและความเข้มข้นของโมเลกุลผลึก เหลวในตัวทาละลาย (โดยท่ัวไปคอื น้า) ผลึกเหลวเมทัลโลโทรปิก (Metallotropic liquid crystals) ประกอบด้วยท้ังโมเลกุลอินทรีย์และอนินทรีย์ และการเปลี่ยนเฟสผลึกเหลวไม่เพียงขึ้นกับอุณหภูมิและความเข้มข้นเท่าน้ัน แต่ยังข้ึนกับอัตราส่วนองค์ประกอบ อนิ ทรียแ์ ละอนินทรีย์ ผลึกเหลวไลโอโทรปิกมีมากมายในระบบส่ิงมีชีวิต เช่น เย่ือชีวภาพ เย่ือหุ้มเซลล์ โปรตีนต่างๆ (เช่น สารละลายโปรตีนท่ีได้จากแมงมุมเพ่ือผลิตไหม) รวมถึงสบู่ซ่ึงเป็นวัสดุท่ีรู้จักกันดีแต่ในความเป็นจริงแล้วเป็นผลึก เหลวไลโอโทรปิก โดยความหนาของฟองสบูจ่ ะเป็นตัวกาหนดสีของแสงทส่ี ะท้อน การจัดเรียงตัวของผลึกเหลวสามารถจัดการได้ด้วยแรงเชิงกล แรงแม่เหล็ก หรือแรงไฟฟ้า ซ่ึงการ เปลี่ยนแปลงการจัดเรียงตัวสามารถเกดิ ข้ึนได้จากการเปล่ียนแปลงแรงเหล่านี้เพียงเล็กน้อย สมบัติของผลึกเหลวมี ประโยชนใ์ นการใช้งานทห่ี ลากหลาย สีของผลึกเหลวบางชนดิ ข้ึนอยู่กับการจัดเรยี งตัวของโมเลกลุ ดงั น้นั อิทธพิ ลใดๆ ที่รบกวนการจัดเรียงตัว (เช่น ความแตกต่างของสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้า อุณหภูมิหรือการมีอยู่ของสารเคมี บางอย่าง) จะสามารถตรวจพบไดจ้ ากการเปล่ียนสี ผลึกเหลวถูกใช้อย่างกว้างขวางในการแสดงผลสาหรับโทรศัพท์มือถือ กล้อง คอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกสต์ ่างๆ ในจอแสดงผลเหล่านส้ี นามไฟฟา้ จะเปลีย่ นการจัดเรียงตัวของโมเลกุลในผลึกของเหลวและมผี ล ต่อการโพลาไรเซชัน (Polarisation) ของแสงท่ีส่องผ่าน นอกจากน้ียังสามารถใช้ในเครื่องวัดอุณหภูมิได้อีกด้วย เนื่องจากความไวต่ออุณหภูมิและสมบตั ิการเปล่ียนสี อีกทั้งผลึกเหลวยังสามารถตรวจจับสารเคมี สนามไฟฟ้า และ การเปล่ยี นแปลงของอณุ หภูมิ สาหรบั ประยุกต์ใชใ้ นตวั ตรวจจบั ขนาดเล็กได้ รปู ที่ 7.11 จอภาพแอลอดี ี (ทม่ี า : https://www.printedelectronicsworld.com/articles/10438/super-uhd-tv-lineup- featuring-nano-cell-technology) ในอนาคตอาจมีการใช้งานผลึกเหลวที่น่าสนใจต่างๆอีกมากมาย เม่ือไม่นานมาน้ีพบว่าในผลึกเหลวน้ันการ รวมของโมเลกุลท่ีเฉพาะเจาะจงท่ีจัดเรียงตัวในระดับนาโนในผลึกเหลวสามารถนาไปสู่สมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติ ทางแสงใหม่ๆ ตวั อย่างเช่น การปรับปรงุ วัสดผุ ลึกเหลวใหแ้ สดงสมบัติโฟโตนิก (Photonic) สาหรับการใช้งานในท่อ

148 นาคลื่นและการกักเก็บแสง (การประยุกต์ใช้ในงาน ICT) การปรับปรุงผลึกเหลวอีกประเภทการคือผลึกเหลวแบบ เหน่ียวนาทางแสง (Photoconductive liquid crystals) ซ่ึงมีจุดมุ่งหมายท่ีจะนาไปใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์และ ไดโอดเปลง่ แสง (Light-emitting diodes; LED) (การประยกุ ต์ใช้ในงานพลังงาน) การปรับปรุงผลกึ เหลวอกี รปู แบบ คือการใช้ในการตอบสนองต่อสิ่งเร้า และเป็นแม่แบบในการสร้างพอลิเมอร์ท่ีมีรูพรุนขนาดนาโน (Nanoporous polymers) (การประยกุ ต์ใชท้ างการแพทย์) 7.2.2 ผลกึ โฟโทนกิ (Photonic Crystals) โฟโตนกิ คอื วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยขี องการสรา้ งและควบคุมแสง (โฟตอน) โดยเฉพาะในช่วงสเปคตรัมท่ี มองเห็นและอินฟราเรด ผลึกโฟโตนิกประกอบด้วยแลตทิซของโครงสร้างนาโนของสารไดอิเล็กทริกหรือโลหะกับ ไดอิเล็กทริกเป็นช่วงๆ ซ่ึงส่งผลต่อการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยพื้นฐานแล้วผลึกโฟโทนิคจะ ประกอบด้วยบริเวณซ้าๆของบริเวณที่มีค่าคงท่ีไดอิเล็กตริกสูงและต่า โดยโฟตอน (ประพฤติตัวเป็นคลื่น) จะ แพร่กระจายผ่านโครงสร้างนี้หรือไม่ขึ้นอยู่กับความยาวคล่ืน ซึ่งช่วงของโครงสร้างผลึกโฟโตนิกจะต้องมีความยาว เท่ากับคร่ึงหน่ึงของความยาวคล่ืนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ประมาณ 200 - 350 นาโนเมตร สาหรับการใช้งาน ผลึกโฟโทตนิกที่ทางานในชว่ งสเปกตรัมทีต่ ามองเห็นได้) ผลึกดังกล่าวสามารถประดิษฐ์ข้ึนได้ดว้ ยวธิ ีการต่าง ๆ เช่น ลทิ โธกราฟฟีลาแสงอิเล็กตรอน (Electron-beam lithography) และลิทโธกราฟฟีรังสีเอ็กซ์ (X-ray lithography) โดยผลึกโฟโทนิคนน้ั มอี ยู่ในธรรมชาติ เช่น ปีกผีเสื้อซึ่งสที ่ีสวยงามของผีเสื้อบางชนิดน้ันเป็นสีทเ่ี กิดจากโครงสร้างนา โนภายในท่เี ปน็ ผลึกโฟโตนิก รูปท่ี 7.12 แผงวงจรผลึกโฟโตนิก (ท่มี า : https://www.eletimes.com/photonic-integrated-circuit-ic-market-analysisreport- forecast-2022) โดยพบว่าโฟนกิ มีข้อดีคือลาแสงหลายลาแสงสามรถเคลื่อนที่ตัดกันเองได้ โดยท่ขี ้อมูลภายในลาแสงไม่หายไป การที่จะให้สายไฟฟ้าหลายเส้นหรือเส้นลายวงจรหลายเส้นมาตัดกันโดยข้อมูลหรือกระแสไฟฟ้าไม่เปลยี่ นแปลงนั้น วงจรอิเล็กทรอนกิ สท์ าไมไ่ ด้ ข้อเด่นอกี อยา่ งของโฟโตนิกส์ก็คือ พ้ืนที่หนา้ ตัดของลาแสงสามารถนามาใช้ประโยชน์ได้ เช่น บริเวณกลางลาแสง และบริเวณขอบของลาแสง สามารถบรรจุรหัสหรือข้อมูลท่ีแตกต่างกันได้ ทาให้เกิดการ ประมวลผลและนาเขา้ ข้อมูลแบบขนานความเร็วสงู ซึ่งในทางอิเล็กทรอนิกส์ไม่สามารถสง่ กระแสไฟฟา้ ในปริมาณท่ี

149 ต่างกันบนพ้ืนท่ีหน้าตดั ของสายไฟฟ้าเสน้ เดียวได้ ข้อสาคญั อีกอย่างก็คอื สามารถนาแสงมาใช้ตรวจจับอนุภาคหรือ เซลล์ขนาดเลก็ รวมทง้ั ใช้ตรวจสอบและวิเคราะหต์ ัวอย่างทางชีวภาพ และช้ินงานทางวศิ วกรรม โดยไม่ต้องไปสมั ผัส โดยตรง ซ่ึงจะช่วยลดความเสียหายท่ีอาจเกิดข้ึนกับชิ้นงานน้ันได้ การประยุกต์ใช้โฟโตนิกส์นั้นมักเกี่ยวข้องกับแสง เลเซอร์ ยกตัวอย่างเช่น - เครอ่ื งใชไ้ ฟฟา้ ไดแ้ ก่ เครือ่ งอ่านบาร์โค้ด เครื่องพิมพ์ ซดี ี-รอม วซี ดี ี เคร่ืองเล่นซีดี รีโมตคอนโทรล - โทรคมนาคม ไดแ้ ก่ การสอ่ื สารผ่านใยแกว้ นาแสง - การแพทย์ ได้แก่ เลสคิ การผ่าตัดด้วยเลเซอร์ กล้องส่องผา่ ตดั การลบรอยสกั - อุตสาหกรรม ได้แก่ การเช่ือม ตัด แกะลาย ด้วยเลเซอร์ การผลิตท่ีต้องการความละเอียด และความ แมน่ ยาสงู - เกษตรกรรม ได้แก่ การคัดแยกเมล็ดข้าวท่ีปลอมปนคุณภาพ โดยใช้เทคนิคการคัดแยกวัตถุด้วยแสงที่มี ความแม่นยาสงู - ดา้ นชวี ภาพ ไดแ้ ก่การสร้างกล้องสอ่ งขนาดเลก็ ทส่ี ามารถส่องเขา้ ไปตรวจสอบรา่ งกายโดยใช้เทคโนโลยกี าร จับภาพด้วยสัญญาณแสงขนาดเลก็ ท่ีประกอบด้วยเมมส์ สแกนเนอร์ (MEMS Scanner) ทาให้สามารถใช้ ส่องดูเน้ือเย่ือได้ลึกถึง 300 ไมครอน เพื่อใช้ในการตรวจหารอยโรคของมะเร็งท่ีเกิดอยู่ในพ้ืนผิวชั้นบน (Epithelial Cancers) ซึ่งเปน็ ชนิดทีพ่ บมากถงึ 85% ของผู้ปว่ ยโรคมะเรง็ ทัง้ หมด - การก่อสร้าง ได้แก่ การวัดระดับและวัดระยะทาง ดว้ ยเลเซอร์ - การทหาร ได้แก่ เซนเซอร์อินฟราเรด ระบบการควบคุมและส่ังการ การค้นหาและชว่ ยเหลือผู้ประสพภัย การคน้ หากบั ระเบิด - การบนั เทิง ได้แก่ การแสดงเลเซอร์ เอฟเฟกต์ลาแสง ศลิ ปะโฮโลกราฟี 7.2.3 วสั ดุพลังงาน (Energy Materials) รปู ที่ 7.13 เซลลแ์ สงอาทติ ยเ์ ลียนแบบกลไกระดับนาโนของธรรมชาติในการสงั เคราะห์แสง (ทม่ี า : Sambandam, 2008)

150 มคี วามทา้ ทายมากมายทางด้านพลังงานทที่ าการศึกษา ได้แก่ การพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์เชื้อเพลิง ไฮโดรเจน แบตเตอรีแ่ บบชาร์จได้ เป็นต้น ซงึ่ สามารถพฒั นาไดด้ ว้ ยการใช้วศิ วกรรมวสั ดุนาโน วสั ดุบางชนิดได้รับการ พฒั นาจากแรงบนั ดาลใจโดยตรงจากธรรมชาติ เชน่ เซลล์แสงอาทิตย์ชนดิ ใหมท่ ี่พยายามเลยี นแบบกลไกระดับนาโน ของธรรมชาติในการสังเคราะห์แสง (Biomimetic Energy Nanomaterials) อีกตัวอย่างท่ีน่าสนใจคือการใช้ ขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่ท่ีมีโครงสร้างนาโนที่สามารถประกอบตัวเองได้ (Self-assembling nanostructures) โดย สรา้ งจากไวรสั ท่ีมีการดัดแปลงพันธกุ รรม 7.3 การใชง้ านนาโนเทคโนโลยีชีวภาพ (Nanobiotechnology) 7.3.1 นาโนเทคโนโลยดี เี อน็ เอ (DNA Nanotechnology) นาโนเทคโนโลยีดีเอ็นเอนั้นจะใช้สมบัติเชิงโครงสร้างและสมบัติในการจดจาตนเองของ DNA เพื่อประกอบ ตวั เองเปน็ โครงสร้างนาโนทตี่ ้องการดว้ ยวิธีการจากลา่ งข้ึนบน (Bottom-up approach) โดยโครงสร้างสองและสาม มิติถูกประดิษฐ์ข้ึนด้วยวิธีการประกอบตัวเองน้ี เม่ือไม่นานมานี้ได้มีการพัฒนาวิวัฒนาการวิธีดีเอ็นเอแบบพับข้ึน (DNA origami method) เพ่ือสร้างโครงสร้างดีเอ็นเอสองมติ ิท่ีสามารถใช้เป็นต้นแบบในการจัดเรียงวัสดุนาโนด้วย ความแม่นยาและความจาเพาะสูง นักวิจัยที่ศูนย์นาโนเทคโนโลยีดีเอ็นเอ (มหาวิทยาลัยอาร์ฮุส) ได้พัฒนาแพคเกจ ซอฟต์แวร์เพือ่ อานวยความสะดวกในการออกแบบโครงสร้างดเี อ็นเอแบบพบั (DNA origami) และเริ่มใชค้ รง้ั แรกใน การออกแบบโลโกร้ ปู ปลาโลมาของมหาวิทยาลยั อารฮ์ สุ (Aarhus University) รูปที่ 7.14 กระบวนการดีเอน็ เอออรกิ ามิ (DNA origami technology) (ทีม่ า : Endo, et al., 2013)

151 รปู ที่ 7.15 การออกแบบการพบั ดเี อ็นเอ (DNA origami design) ของโครงสรา้ งรูปรา่ งปลาโลมาทีม่ ีหางท่ยี ืดหยนุ่ ได้ (ทมี่ า : Andersen, et al., 2008) รูปที่ 7.16 กลอ่ งดเี อ็นเอสามมิติ (ท่ีมา : Lee, 2010; https://physicsworld.com/a/nano-box-breaks-size-records/) รูปท่ี 7.17 การใช้นาโนเทคโนโลยที างการแพทย์ในการปลดปลอ่ ยยา (ที่มา : https://brofeed.com/light-emitting-nanoparticles-detect-cancer-months-earlier-mri-scans/)

152 โดยโปรแกรมการออกแบบยงั ถูกนาไปใช้ในการออกแบบกลอ่ งดีเอ็นเอสามมติ ทิ ีม่ ขี นาด 42 × 36 × 36 nm3 ทส่ี ามารถเปิดไดโ้ ดยสัญญาณควบคมุ ภายนอก (รูปท่ี 7.15) ซ่ึงการควบคมุ การเข้าถึงส่วนประกอบภายในของ DNA นับเป็นการเปิดทางให้กับการประยุกต์ใช้งาน DNA ที่น่าสนใจมากมาย ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์แบบลอจิก (Logic sensor) สาหรับการส่งสัญญาณหลายลาดับและสาหรบั ควบคุมการปลดปล่อยของสารภายในวสั ดุนาโนทีม่ ีศกั ยภาพ ในการใชง้ านทางดา้ นการแพทย์ (Nanomedicine) นาโนเทคโนโลยีดีเอ็นเอเป็นหน่ึงในการพัฒนาล่าสุดของนาโนเทคโนโลยี ซึ่งสามารถนาไปประยุกต์ใช้ สาหรับการประดิษฐ์ท่อนานาโน (เช่น ท่อนาคลื่น) ตัวตรวจจับ (สาหรับการวินิจฉัยและการถ่ายภาพ) ประตูลอจิก การปลดปล่อยยา มอเตอร์นาโน และอุปกรณอ์ ิเลก็ ทรอนิกส์ (สายไฟ ทรานซสิ เตอร์) ซงึ่ อาจนาไปสู่การสร้างอปุ กรณ์ อิเล็กทรอนกิ ส์ดว้ ยวธิ จี ากลา่ งขึ้นบนและการนับดีเอน็ เอไดใ้ นอนาคต 7.3.2 กลา้ มเนอื เทยี ม (Artificial Moving Parts) การใชโ้ ครงสร้างของพอลเิ มอร์รว่ มแบบบล็อค (Blocked co-polymer) ในการเลยี นแบบความสามารถ ของ สารชวี โมเลกลุ ในการเปล่ยี นพลังงานจากสารเคมเี ปน็ พลังงานกล เช่น การใช้พอลิเมอรร์ ว่ มแบบบลอ็ กทไ่ี วตอ่ การ เปลยี่ นแปลงคา่ pH ทไี่ มเซลลจ์ ะเกิดการบวมตวั ตามการเปลยี่ นแปลงคา่ pH ดว้ ยเหตุนจี้ ึงมกี ารศกึ ษาวสั ดนุ ใี้ นการ สร้างกลา้ มเนื้อเทยี มหรอื โครงสร้างนาโนท่ีเคลื่อนที่ได้ รปู ที่ 7.18 กลา้ มเนื้อเทียม (ที่มา : https://physicsworld.com/a/synthetic-synapse-uses-light-to-contract-artificial-muscle/) 7.3.3 การใชง้ านด้านส่ิงแวดล้อม (Environmental Applications) อนุภาคนาโนโลหะบางชนดิ สามารถนาไปประยุกต์ใช้งานทางด้านสิ่งแวดล้อมได้ ยกตัวอย่างเช่น อนุภาคนา โนเหล็กแบบซีโรวาเลนต์ (Zero-valent Fe) ซึ่งกาลังอยู่ภายใต้การศึกษาเพื่อใช้ในการแก้ไขปนเปื้อนของน้าใต้ดิน และดิน เหล็กเม่ือสัมผสั กับอากาศจะเกิดสนมิ ไดง้ ่าย แต่ทว่าเมื่อเกิดการออกซไิ ดซ์รอบ ๆ ส่ิงปนเปือ้ น เช่น ไตรคลอ โรเอทิลีน (Trichloroethylene; TCE) คาร์บอนเตตระคลอไรด์ (Carbon tetrachloride) ไดออกซิน (Dioxins)

153 หรอื PCBs โมเลกลุ อนิ ทรยี ์เหล่านแ้ี ตกออกเปน็ สารประกอบคารบ์ อนทั่วไปทีไ่ มม่ ีความเป็นพษิ นอกจากน้อี นุภาคนา โนของเหล็กน้ันมีประสิทธิภาพมากกว่าผงเหล็กแบบดั้งเดิมในการทาความสะอาดของเสียจากอุตสาหกรรม โดย อนภุ าคนาโนเหล็กมีปฏิกิริยามากกว่าผงเหล็กท่ีใช้กันท่ัวไป 10 ถงึ 1,000 เท่า อนุภาคนาโนเงินมีความสามารถต้านเชื้อแบคทีเรียที่แข็งแกร่ง ซึ่งถูกนาไปใช้ในผลิตภัณฑ์มากมายเพ่ือ ป้องกนั หรือลดการยดึ เกาะของแบคทเี รยี กับพ้นื ผวิ รปู ท่ี 7.19 การตา้ นเชื้อแบคทีเรียของอนภุ าคนาโนเงิน (ซ้าย) และการประยกุ ตใ์ ช้ (ขวา) (ทม่ี า : http://www.artworldmedical.com/antibacterial.html) (ทีม่ า : https://oecotextiles.wordpress.com/2010/09/01/silver-and-other-nanoparticles-in-fabrics/)

154 บทสรุป นาโนวิทยาศาสตร์และนาโนเทคโนโลยีสามารถนาไปประยุกต์ใช้ในวัสดุวิศวกรรม และวิทยาศาสตร์ที่ เก่ียวขอ้ งมากมาย วิทยาศาสตร์ทางด้านนาโนส่งผลกระทบอย่างมากต่อการออกแบบและการประดษิ ฐ์วัสดใุ หม่ๆที่ นาไปสู่นวัตกรรมและการใช้งานท่ีหลากหลาย รวมถึงการเพ่ิมสมบัติของพลาสติก เซรามิกส์ คอมโพสิต และอ่ืน ๆ อีกมากมาย โดยสามารถแบ่งการประยุกต์ใช้งานทางด้านนาโนเทคโนโลยีออกเป็น 3 สาขาหลัก ประกอบด้วย วัสดุ นาโน นาโนอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ และนาโนเทคโนโลยชี ีวภาพ วัสดนุ าโน เปน็ การประยุกตใ์ ช้นาโนเทคโนโลยีศาสตรด์ ้านวัสดุนาโน โดยพบวา่ ทรี่ ะดบั นาโนเมตรนั้นสมบตั ขิ อง สสาร เชน่ พลังงาน สภาพการนาไฟฟ้า สี ความแขง็ แรง และนา้ หนักจะเปล่ียนไป สมบัติที่โดดเด่นของวัสดนุ าโนอีก ประการคือความสามารถในการจัดเรียงอะตอมต่ออะตอมได้ อีกทั้งวัสดุนาโนนั้นมอี ัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรที่สูง ซึ่งส่งผลกระทบที่สาคัญต่อกระบวนการท้ังหมดท่ีเกิดขึ้นท่ีพื้นผิวของวัสดุ เช่น การเร่งปฏิกิริยา และการตรวจจับ การยึดเกาะ การเสริมแรง เป็นต้น อีกทั้งยังมีความสามารถในการทาความสะอาดตัวเองได้ โดยมีการนาไป ประยกุ ต์ใช้เป็นสารเคลอื บตา่ งๆ นาโนอิเล็กทรอนิกส์ เป็นการประยุกต์ใช้นาโนเทคโนโลยีศาสตร์ด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ เพ่ือให้ผลิตภัณฑ์มี คุณภาพและประสิทธิภาพสูง เช่น ผลึกเหลวถูกใช้อย่างกว้างขวางในการแสดงผลสาหรับโทรศัพท์มือถือ กล้อง คอมพวิ เตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนกิ สต์ ่างๆ การใชผ้ ลกึ โฟโตนิกในตรวจจับอนุภาคหรอื เซลลข์ นาดเล็ก รวมท้ังใช้ ตรวจสอบและวิเคราะห์ตัวอย่างทางชีวภาพ และช้ินงานทางวิศวกรรม ตลอดจนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ ท่ีมี ประสิทธภิ าพสงู นาโนเทคโนโลยีชีวภาพ เป็นการประยกุ ต์ใช้นาโนเทคโนโลยีศาสตร์ด้านชวี ภาพ เชน่ การปรับโครงสร้างระดับ โมเลกุลของยา ท่ีสามารถหวังผลการมุ่งทาลายชีวโมเลกุลที่เป็นเป้าหมายเฉพาะเจาะจง การเลียนแบบดีเอ็นเอ ตลอดจนการใช้งานด้านส่ิงแวดลอ้ ม การฆา่ เชอื้ แบคทีเรยี เป็นตน้

155 แบบฝึกหัดท้ายบท 1. จงอธิบายสมบัตทิ ไี่ ด้จากการใช้วสั ดุนาโนเป็นตวั เร่งปฏิกริ ิยา 2. ผลึกโฟโตนิกเปน็ วสั ดุทเ่ี ลยี นแบบวสั ดุใดทางธรรมชาตแิ ละมีหลกั การอยา่ งไร 3. จงยกตัวอยา่ งการใช้งานสารเคลอื บนาโนมา 2 ตวั อย่างพรอ้ มอธิบายหลกั การ 4. จงอธิบายหลักการทาความสะอาดตัวเองของเทปตุก๊ แก 5. จงอธิบายการเปลยี่ นโครงสรา้ งของโลหะอลั ลอยจารปู และการนาไปใช้งาน



เอกสารอา้ งอิง Naidoo, L., & Kistnasamy, E.J. (2015). A desktop evaluation of the potential impact of nanotechnology applications in the field of environmental health in a developing country. American Journal of Public Health Research, 3(5), 182-186. ______. (มปป.). The birth of Velcro: A small great revolution in the world of fastening systems. สบื คน้ เมือ่ วนั ท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.confindustrialazio.it/aziende/la-nascita-del-velcro-piccola-grande- rivoluzione-nel-mondo-dei-sistemi-fissaggi/ Fearing, R. (มปป.). Smart Gecko Tape. สืบค้นเมื่อวันท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://people.eecs.berkeley.edu/~ronf/Gecko/interface08.html Alizadehyazdi, V., Modabberifar, M., Mahmoudzadeh Akherat, S.M.J., Spenko, M. (2018). Electrostatic self-cleaning gecko-like adhesives. Journal of the Royal Society, Interface, 15, 20170714. Han, M.W., Rodrigue, H., Cho, S., Song, S.H., Wang, W., Chu, W.S., & Ahn, S.H. (2016). Woven type smart soft composite for soft morphing car spoiler. Composites Part B, 86, 285-298. ______. (มปป.). Shape-memory-alloys. สืบค้นเมอ่ื วนั ที่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://themarketfact.com/2019/05/27/global-shape-memory-alloys-market-progress- 2019/ ______. (2019. Shape-Memory Alloys Bid Adieu to Old-School Orthodontics. สืบค้นเมื่อวันท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://www.autodesk.com/redshift/shape-memory-alloys/ ______. (2018). What is electrochromic glass?. สบื ค้นเมือ่ วนั ท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.sageglass.com/eu/article/what-electrochromic-glass ______. (มปป.). Smart glass may mean it is curtains for window blinds. สืบค้นเมือ่ วันท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.telegraph.co.uk/technology/news/10243401/Smart-glass-may-mean-it-is- curtains-for-window-blinds.html ______. (2014). Creating a water layer for a clearer view. (2014). สบื คน้ เมือ่ วันที่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=36009.php ______. (2017). Superhydrophobic Coatings. สบื ค้นเมื่อวันท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://atriainnovation.com/en/recubrimientos-superhidrofobos/ ______. (2017). Super UHD TV lineup featuring nano cell technology. สืบค้นเมื่อวันที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จ า ก https://www.printedelectronicsworld.com/articles/10438/super-uhd-tv-lineup- featuring-nano-cell-technology

158 ______. (2016). Photonic Integrated Circuit (IC) Market Analysis,Report and Forecast to 2022. สืบค้นเมื่อวันท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.eletimes.com/photonic-integrated- circuit-ic-market-analysisreport-forecast-2022 Hana, M.W., Rodrigue, H., Cho, S., Song, S.H., Wang, W., Chub, W.S., & Ahn, S.H. (2016). Woven type smart soft composite for soft morphing car spoiler. Composites Part B, 86, 285-298. Hernandez-Leon, S.G., Sarabia-Sainz, J.A., Montfort, G.R., Guzmán-Partida, A.M., Robles-Burgueño, M.D., & Vázquez-Moreno, L. (2017). Novel Synthesis of Core-Shell Silica Nanoparticles for the Capture of Low Molecular Weight Proteins and Peptides. Molecules, 22(10), 1712:1- 12. Schubert, B., Lee, J., Majidi, C., & Fearing, R. (2008). Sliding induced adhesion of stiff polymer microfiber arrays: Microscale behaviour. Journal of the Royal Society, Interface. DOI:10.1098/rsif.2007.1309 Sambandam, A. (2008). Effects put forth to enhance the efficiency in dye-sensitized nanostructured solar cells – an overview, Applied Physics in the 21st Century. In book: Applied Physics in the 21st Century, Edition: 2008, Chapter: Effects put forth to enhance the efficiency in dye-sensitized nanostructured solar cells – an overview, Publisher: Research Signpost, pp.185-208. Endo, M., Sugiyama, H., & Yangyang, Y. (2013). DNA origami technology for biomaterials applications. Biomaterials Science, 1(4), 347-360. Andersen, E.S., Dong, M., Nielsen, M.M., Jahn, K., Lind-Thomsen, A., Mamdouh, W., et al. (2008). DNA origami design of dolphin-shaped structures with flexible tails. ACS Nano, 2(6), 1213-1218. Lee, J.B., Campolongo, M.J., Kahn, J.S., Roh, Y.H., Hartmana, M.R., & Luo, D. (2010). DNA-based nanostructures for molecular sensing. Nanoscale, 2, 188–197. ______. (2009). Nano-box breaks size records. สืบค้นเมอื่ วนั ท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://physicsworld.com/a/nano-box-breaks-size-records/ Jama, A. (2018). Light-emitting nanoparticles could detect cancer months earlier than MRI scans. สืบค้นเมื่อวนั ที่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://brofeed.com/light-emitting-nanoparticles-detect-cancer-months-earlier-mri-scans/ Jafari, R. (2018). Biophysics and bioengineering: Synthetic synapse uses light to contract artificial muscle. สบื ค้นเมอ่ื วนั ที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://physicsworld.com/a/synthetic-synapse-uses-light-to-contract-artificial-muscle/ ______. (มปป.). Antibacterial technology. สบื คน้ เมื่อวนั ท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก http://www.artworldmedical.com/antibacterial.html ______. (มปป.). Silver and other nanoparticles in fabrics. สืบค้นเมื่อวันที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://oecotextiles.wordpress.com/2010/09/01/silver-and-other-nanoparticles-in-fabrics/

แผนบริหารการสอนประจาบทท่ี 8 หัวขอ้ เนอื้ หา ความปลอดภัยนาโน 8.1 การศกึ ษาความเปน็ พิษของอนุภาคนาโน 8.2 กระบวนการประเมนิ ความเสย่ี ง 8.3 แนวทางการควบคมุ การไดร้ ับความเส่ียง 8.4 นโยบายความปลอดภัยนาโน วตั ถุประสงคเ์ ชิงพฤตกิ รรม เมอ่ื ผู้เรยี น เรียนจบบทนแ้ี ล้วผเู้ รยี นควรมคี วามรู้และทักษะดงั นี้ 1. ตระหนักถึงความความเส่ียงในงานด้านนาโนเทคโนโลยี 2. มคี วามเขา้ ใจนโยบายความปลอดภัยในงานด้านนาโนเทคโนโลยี วธิ สี อนและกจิ กรรมการเรยี นการสอนประจาบท 1. บรรยายเนือ้ หาในแตล่ ะหัวข้อพร้อมยกตวั อย่างประกอบ 2. ศกึ ษาเอกสารประกอบการสอน 3. ผูส้ อนสรุปเนอื้ หา 4. ผสู้ อนทาการซกั ถาม ส่อื การเรยี นการสอน 1. เอกสารประกอบการสอนวิชานาโนเทคโนโลยเี บ้ืองตน้ 2. Power Point การวดั ผลและประเมนิ ผล 1. ประเมนิ จากการซกั ถามในช้ันเรยี น 2. ประเมินจากการทาแบบฝกึ หดั ทบทวนท้ายบทเรียน 3. ประเมนิ จากการสอบปลายภาค



บทที่ 8 ความปลอดภัยนาโน (Nanosafety) ==================================================================== 8.1 การศึกษาความเป็นพิษของอนภุ าคนาโน เน่อื งจากขนาดทเ่ี ลก็ เป็นพเิ ศษส่งผลใหอ้ นุภาคนาโนมปี ระโยชน์มากมายในการนาไปใช้งาน แตน่ ่าเสียดายที่ สมบัติเดียวกันน้ียังกอ่ ให้เกิดผลกระทบหลายประการและอาจเปน็ อันตรายต่อส่งิ แวดล้อม สัตว์ มนุษยแ์ ละพืชเมือ่ ใช้ อย่างไม่ระวงั โดยอันตรายทีอ่ าจเกดิ ขึน้ ไดแ้ ก่ 1. เมื่อใช้อนุภาคนาโนเป็นสารกาจดั ศัตรูพชื ปุ๋ย หรืออ่ืน ๆ ซึ่งอาจสะสมอยใู่ นส่วนตา่ งๆของพืช โดยเฉพาะ บรเิ วณปากใบและจะสร้างชัน้ ทางกายภาพขนาดเลก็ ที่เปน็ พิษ หรืออาจเข้าไปในเน้ือเย่ือท่อลาเลียงและสง่ ผลให้การ ลาเลียงของน้า แรธ่ าตุ และการสงั เคราะห์แสงลดลง 2. สัตว์อาจสูดดมอนุภาคนาโนและทาให้เกิดผลข้างเคียงและความผิดปกติต่างๆ อนุภาคอาจเข้าสู่กระแส เลอื ด 3. สารกาจัดศตั รูพืชแบบนาโนอาจลดปัญหาการปนเปอ้ื นส่ิงแวดล้อมเนื่องจากการลดอัตราการใช้สารกาจัด ศัตรพู ืช แต่ทว่าอาจสร้างการปนเปอ้ื นชนิดใหม่ในดนิ และน้า เนอื่ งจากมีอัตราการคงอยู่ที่นานขึ้นและความเป็นพษิ ท่ี สงู ข้นึ 4. อนุภาคนาโนในอากาศอาจส่งผลให้เกดิ อันตรายบางประการต่อสุขภาพของมนุษย์ โดยอาจเข้าสู่ร่างกาย ผ่านระบบทางเดินหายใจ เมือ่ อนุภาคนาโนเข้าสู่ปอดและกระแสเลือดอาจสง่ ผลใหเ้ กิดการอกั เสบ และการเหนยี่ วนา ให้เกิดความเป็นพิษต่อพันธกุ รรมได้ ปัจจุบันการศึกษาถึงอันตรายและผลกระทบต่อสุขภาพของอนุภาคนาโนที่มีต่อมนุษย์ยังมีข้อจากัด ข้อมูล ส่วนใหญ่ได้จากการศึกษาในเซลล์ส่ิงมีชีวิตและสัตว์ทดลอง อย่างไรก็ตามอนุภาคนาโนสามารถเข้าสู่ร่างกายได้ 3 ทาง คือ ทางการหายใจ ทางผิวหนัง และการกิน การศึกษาผลของอนุภาคนาโนท่ีมีต่อเซลล์สิ่งมีชีวิตแบ่งออกเป็น สองรปู แบบ ได้แก่ การศกึ ษาแบบอินวิโทร (In vitro study) และการศึกษาแบบอินไวโว (In vivo study) การศกึ ษาแบบอนิ วิโทร (In vitro study) คือการศกึ ษาผลกระทบต่อเซลล์ของสงิ่ มีชวี ิตในสภาพแวดล้อม ท่ีควบคุม เช่น อุณหภูมิ ความชื้น ความดัน เป็นต้น และทาการทดลองในหลอดทดลอง เซลล์ที่ศึกษาอาจเป็นได้ทั้ง เซลลข์ องจลุ ชพี เซลล์สัตว์ หรือเซลล์ของมนุษย์ การศกึ ษาแบบอินไวโว (In vivo study) คือการศึกษาในสภาพแวดล้อมจริง ในรา่ งกายส่ิงมีชวี ติ ปกติ โดย ใชส้ ตั ว์ทดลอง เชน่ หนู กระต่าย ลิง รวมถึงการศึกษาในมนุษย์ เปน็ ตน้

162 สว่ นการศกึ ษาในเชงิ การสัมผสั (Exposure study) และการศึกษาเชิงระบาดวิทยา (Epidemiology study) ยงั มีอยู่อย่างจากดั เน่ืองจากมขี ้อมูลการศึกษาท่ไี ม่เพียงพอในการก่อโรคของอนภุ าคนาโนในมนษุ ย์ ตารางที่ 8.1 ตวั อยา่ งความเปน็ พิษของอนุภาคนาโน ชนดิ ของอนภุ าคนาโน ผลการศึกษาทางพิษวทิ ยา ไททาเนยี มไดออกไซด์ - ทาลายเน้อื เย่อื ปอด ดีเอน็ เอ สารทางพนั ธกุ รรม (Titanium dioxide) - เป็นพิษต่อเซลล์ สง่ ผลใหเ้ ซลลต์ ายชนดิ เฉียบพลนั - ก่อใหเ้ กิดมะเร็งปอด - ก่อให้เกดิ อนุมลู มลู อิสระ ซ่งึ เป็นอันตรายต่อเซลล์และการเกดิ มะเรง็ ทอ่ นาโนคาร์บอน - ทาลายเซลลแ์ บคทเี รยี (Carbon nanotubes) - ทาใหเ้ ซลลต์ าย - ยบั ยั้งการทางานของระบบทางเดินหายใจ - ทาลายไมโตรคอนดรลิ (Mitichondrial) ในดีเอ็นเอ - ก่อใหเ้ กดิ มะเร็งปอด ฟูลเลอรนี - ยับยงั้ แบคทีเรีย (Fullerene) - เปน็ พิษต่อเซลลม์ นษุ ย์ - ทาใหเ้ ซลล์ตาย - เกดิ การสะสมในตับ - ส่งผลให้เกดิ เน้ืองอก และมะเร็ง หมุดควอนตัม - เปน็ พิษตอ่ แบคทเี รีย (Quantum dots) - ทาลายดีเอน็ เอ - เกดิ การสะสมในไต - เปน็ พษิ ต่อเซลล์ อวัยวะ เนื่องจากปฏิกริ ิยาออกซิเดชัน คอปเปอรอ์ อกไซด์ - ทาลายดีเอ็นเอ (Copper oxide) - เป็นพิษต่อตบั ไต ม้าม - เกดิ lipid peroxidation ซึ่งก่อใหเ้ กดิ โรคหัวใจ ซิลกิ อนไดออกไซด์ - ทาใหเ้ กิดอนมุ ูลอิสระ (Silicon dioxide) - ส่งผลใหเ้ ซลลต์ าย - ส่งผลตอ่ การอกั เสบและระบบภูมิคมุ กนั (ท่ีมา : https://healthimpactnews.com/2017/nano-toxicity-are-nanoparticles-in-food-and-our- environment-the-new-health-epidemic/) จากผลการวิจัยต่างๆแสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนของวัสดุหลายชนิดนั้นมีฤทธ์ิทางชีวภาพมากกว่าอนุภาค ขนาดปกตเิ นือ่ งจากมีพนื้ ท่ผี ิวต่อปริมาตรท่สี งู โดยตวั อยา่ งของการศกึ ษาแสดงใหเ้ หน็ วา่ (Batsungnoen, 2017) - อนภุ าคนาโนท่ีมีขนาดน้อยกว่า 300 นาโนเมตรสามารถผ่านเย่อื หุม้ เซลล์ของส่ิงมชี ีวติ ได้

163 - เม่ือเล้ียงหนูโดยการให้อนุภาคนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ในน้าดื่มป็นเวลา 5 วัน แสดงให้เห็นว่า DNA และโครโมโซมเกดิ การเสยี หายและอกั เสบ - ลูกหลานของหนูที่ถูกฉีดด้วยอนุภาคนาโนไททาเนียมไดออกไซด์มีอาการผิดปกติที่อวัยวะเพศและเกิด ความเสยี หายต่อระบบประสาท รวมถึงการเปลย่ี นแปลงการแสดงออกของยีนในสมอง - จากการศึกษาพบว่าอนุภาคนาโนไททาเนียมไดออกไซด์และซิงค์ออกไซด์บางชนิดเป็นพิษต่อสมองและ เซลลป์ อด 8.2 กระบวนการประเมนิ ความเส่ยี ง เน่ืองจากความเสี่ยงข้างต้นการใช้นาโนเทคโนโลยีจึงต้องได้รับการจัดการอย่างระมัดระวังและจาเป็นต้อง ได้รับการรับรองในการวิเคราะห์และตรวจสอบความเสี่ยงท่ีเก่ียวข้องทั้งหมดในสารประกอบนาโน โดยทาการจัด โปรแกรมการประเมินความเสีย่ งท่ีสามารถดาเนนิ การได้ทนั ทีในกรณีท่ดี นิ บรรยากาศ หรอื สงิ่ มีชีวิต สัมผัสกบั ความ เป็นพิษของอนุภาคนาโน นอกจากน้ีผู้ทางานควรได้รับการศึกษาและการฝึกอบรมในการใช้งานอนุภาคนาโนอย่าง เหมาะสม ตลอดจนควรมีองค์กรท่ีรับผิดชอบในการสารวจและตรวจสอบการวิจัยและกิจกรรมทางอุตสาหกรรมที่ เกี่ยวข้องกับนาโนเทคโนโลยีอย่างต่อเน่ือง โดยรัฐบาลต้องสามารถติดตามการใช้งานตลอดจนสามารถสร้างความ เชอื่ ม่นั ไดว้ ่าการผลติ อนุภาคนาโนจะไม่เกนิ ระดับความเป็นพษิ ท่ีกาหนด ข้นั ตอนแรกของการประเมนิ ความเสีย่ ง คือ การเกบ็ รวบรวมข้อมูล ในกรณที ี่เรายงั ไม่มีข้อมูลความปลอดภัย เก่ียวกับวัสดุนาโนที่ใช้ จาเป็นจะต้อง จัดให้วัสดุนาโนน้ันเป็นวัตถอุ ันตรายและใช้มาตรการควบคมุ หรือป้องกันการ ได้รบั สัมผสั วสั ดนุ าโนน้นั อย่างเขม้ งวด ผู้ประกอบการควรเริ่มต้นจากการเก็บ ขอ้ มลู วัสดุทใี่ ชแ้ ละลักษณะการทางาน รวมถึงข้นั ตอนการซอ่ มบารุง และการทาความสะอาด ขอ้ มลู ทีค่ วรมกี ารเก็บรวบรวมเพอื่ ใช้ในการประเมินความเสย่ี ง มี ดังต่อไปนี้ - ชื่อทางเทคนคิ และช่ือทางการค้าของวัสด/ุ วตั ถุดบิ ทใี่ ช้ - มีเอกสารข้อมูลความปลอดภยั (SDS) หรอื ไม่ - องคป์ ระกอบทางเคมีของวัสด/ุ วัตถดุ ิบนนั้ คอื อะไร - มอี งคป์ ระกอบเป็นวสั ดนุ าโนหรือไม่ สดั สว่ นเท่าใด - วสั ดนุ าโนมีลักษณะยาวและบางหรอื ไม่ - วัสดุ/วตั ถดุ ิบทใี่ ช้มลี ักษณะเปน็ ผง/ฝุ่นหรอื ไม่ - วัสดุ/วตั ถุดิบทีใ่ ชม้ ีอปุ กรณป์ อ้ งกันฝ่นุ หรือไม่ - วสั ดุ/วตั ถดุ บิ ท่ีใช้สามารถละลายในน้าหรอื ไม่ - วัสด/ุ วตั ถุดิบท่ีใช้มคี วามเป็นอันตรายหรือความเป็นพษิ อยา่ งไร สาหรบั วัสดนุ าโนท่ีมีการผลิตเชงิ พาณิชย์ ข้อมูลบางประเภทอาจปรากฏ อยู่ในเอกสารข้อมูลความปลอดภัย (Safety Data Sheet: SDS) แต่ควรตรวจสอบว่าผู้ผลิตได้คานึงถึงลักษณะของสารในระดับนาโนเมตรมากน้อย เพียงใด ในกระบวนการประเมินความเสี่ยง ประกอบด้วย 3 ขั้นตอนหลัก คือ (1) การประเมินความเป็นอันตราย

164 (Hazard assessment) (2) การประเมินระดับการได้รับสัมผัส (Exposure assessment) และ (3) การประเมิน ความเสี่ยง (Risk assessment) 8.2.1 การประเมินความเปน็ อันตราย อนุภาคนาโนท่ีอาจก่อให้เกิดผลกระทบต่อสุขภาพมากท่ีสุดคือ อนุภาค ที่สามารถลอยในอากาศและเข้าสู่ ระบบทางเดินหายใจได้ โดยเฉพาะอย่างย่ิง อนุภาคที่มีคุณสมบัตไิ ม่ละลาย ซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อปอด อย่างไรก็ดี ยังจาเป็น ต้องให้ความสาคัญกับช่องทางการได้รับสัมผัสอื่นๆ ด้วยเช่น การสัมผัสทางผิวหนัง หรือการกลืนกิน รวมทง้ั ความเสี่ยงจากการตดิ ไฟและการระเบิด ในเบ้ืองต้นอาจจัดกลุ่มการประเมนิ ความเป็นอันตรายของวัสดนุ าโน ออกเป็น 4 กลุ่ม ได้แก่ กลุ่มท่ี 1 สารทม่ี ลี ักษณะเป็นเส้นใย (Fibrous) คือวัสดนุ าโนท่ลี กั ษณะยาว และไมล่ ะลาย กลุ่มท่ี 2 สารก่อมะเร็งและสารพิษอื่นๆ (CMAR ) คือวัสดุนาโนท่ีมาจากวัสดุที่พบว่าเป็นสารก่อมะเร็ง (Carcinogenetic toxin) สารก่อการกลายพันธ์ุ (Mutagenic toxin) สารก่อโรคหอบหืด (Asthmagenic toxin) หรอื สารที่มี พิษตอ่ ระบบสบื พนั ธุ์ (Reproductive toxin) กลุ่มที่ 3 สารทไ่ี ม่ละลายน้า (Insoluble) คือวัสดนุ าโนทม่ี สี มบัติไมล่ ะลายนา้ หรือละลายไดน้ อ้ ยท่ีไมอ่ ยใู่ นกลมุ่ ที่ 1 และ 2 กลุม่ ที่ 4 สารท่ีละลายนา้ (Soluble) คือวสั ดนุ าโนท่ลี ะลายนา้ ได้ และอยนู่ อกเหนอื จากกลุ่มท่ี 1 และ 2 การประเมินความเส่ียง ควรพจิ ารณาความเป็นอันตรายหรือ ความเปน็ พิษของวัสดนุ าโน โดยเปรียบเทยี บ กบั วัสดุท่มี ขี นาดใหญ่กว่าหรือเทยี บกับวัสดุนาโนอน่ื 8.2.2 การประเมนิ ระดบั การไดร้ ับสัมผัส ความเสีย่ งขน้ึ อยกู่ ับลกั ษณะของวสั ดแุ ละระดบั การไดร้ ับสัมผัส กับวสั ดนุ าโนน้นั ๆ ข้อมลู ทค่ี วรมกี ารเกบ็ รวบรวมเพื่อ ช่วยในการประเมินระดับ การไดร้ บั สมั ผสั ไดแ้ ก่ - ลักษณะงานทอี่ าจทาใหผ้ ้ปู ฏบิ ตั ิงานได้รับสมั ผสั วสั ดนุ าโนมีอะไรบ้างและมโี อกาสไดร้ บั สัมผสั มากนอ้ ย เพยี งใด (เชน่ การผลติ การทาความสะอาด การซ่อมบารงุ การขนส่งและการจดั เกบ็ รวมถงึ กรณกี ารเกดิ อบุ ัติเหต)ุ - ผ้ทู อ่ี าจไดร้ บั สมั ผสั กบั วสั ดุนาโนในระหวา่ งการทางานเป็นใครบ้าง อาทิ ผู้ปฏิบัติงานฝา่ ยการผลติ ผูส้ นับสนุน เช่น พนกั งานทาความสะอาด พนกั งานซ่อมบารงุ ผูจ้ ัดการ นักวจิ ัย พนักงานในสานักงาน รวมทงั้ ผู้บรโิ ภค กลมุ่ เส่ยี งจะแตกตา่ งกนั ไปตามช่วงของการวิจยั การพัฒนา และการผลติ เชิงอตุ สาหกรรม - ชอ่ งทางการไดร้ ับสมั ผสั ที่เป็นไปได้ (เชน่ การหายใจเขา้ การ กลนื กนิ การสมั ผัสกบั ผิวหนัง) - ความถ่ใี นการได้รบั สัมผสั มากน้อยเพียงใด - วสั ดุนาโนสามารถลอยในอากาศ หรอื สะสมตามพ้ืนทีท่ างาน อันเปน็ เหตใุ ห้ผปู้ ฏบิ ัตงิ านหายใจเขา้ หรอื สมั ผสั ถกู ผวิ หนงั ไดห้ รอื ไม่

165 - มาตรการควบคมุ ระดับการไดร้ ับสมั ผัสทสี่ ามารถนามาใช้สาหรับ การทางานลักษณะตา่ งๆ ได้มาตรการ ควบคมุ รวมถึงการแยกผู้ปฏบิ ัติงานออก จากจุดเส่ียงโดยการใชห้ อ้ งหรอื ระบบปดิ หรอื การระบายอากาศ การฝึกอบรม และการใช้อุปกรณป์ ้องกันสว่ นบุคคล 8.2.3 การประเมนิ ความเสย่ี ง การศึกษาความเป็นอันตรายของวัสดุนาโนและการประเมินระดับการได้ รับสัมผัสจะนาไปสู่การประเมิน ระดับความเสี่ยงท่ีคาดว่าจะเกิดขึ้น เพอ่ื นาไปสู่การตดั สินใจจดั การกับความเสี่ยงนั้น โดยหากผลการประเมินพบว่า มคี วามเสีย่ งสงู ผ้ปู ระกอบการจาเป็นตอ้ งใชม้ าตรการปอ้ งกันไว้ก่อน ระดบั ความเสย่ี ง อาจพจิ ารณาได้จากความเส่ยี ง ต่อสุขภาพว่ามีความรุนแรงมากน้อยเพียงใด ความเสี่ยงนั้นจะเกิดขึ้นเร็วเพียงใด และเราสามารถจัดการกับความ เสี่ยงนนั้ ไดอ้ ยา่ งมปี ระสทิ ธิภาพเพียงใด 8.3 แนวทางการควบคมุ การได้รบั ความเสี่ยง ในขณะที่ข้อมูลความเป็นอันตรายของวัสดุนาโนยังไม่ชัดเจน แนวทางที่ควรใช้คือ การยึดหลักระวังไว้ก่อน (Precautionary principle) โดยการควบคุมการได้รับความเสี่ยงของวัสดุนาโนในระหว่างการทางานนั้น อาจจัด ระดบั การควบคมุ ออกได้เปน็ 6 ระดับ ดงั ต่อไปนี้ ระดบั ท่ี 1 หลีกเลย่ี งหรือเลกิ ใชว้ สั ดุนาโนท่ีพบวา่ เปน็ อันตราย หลีกเลี่ยง การใช้วัสดุนาโนที่เป็นอันตรายหรือกระบวนการท่ีอาจก่อให้เกิดการได้รับสัมผัส กับวัสดุนาโน น้ันๆ แม้ว่าแนวทางน้ีอาจเป็นไปได้ยากหากผู้ประกอบการได้ ตัดสินใจเลือกใช้วัสดุนาโนจากคุณสมบัติเฉพาะ แต่ ผู้ประกอบการควรพิจารณา ด้วยว่าการเลือกใชว้ ัสดุนาโนดังกลา่ วนน้ั ค้มุ กบั ความเสย่ี งทีอ่ าจเกดิ ขึน้ หรอื ไม่ ระดับท่ี 2 ทดแทนหรอื เปลยี่ นรูป เปล่ียนไปใช้วัสดุหรือสารอื่นที่มี ความเส่ียงน้อยกว่า แม้ว่าการทดแทนวัสดุจะทาได้ลาบาก แต่ควร พิจารณาลดระดับการได้รับสัมผัสด้วยการเปลี่ยนวัสดุนาโนท่ีเป็นผงให้อยู่ในรูปของเหลว หรือของแข็งแทน การ ปรับเปล่ียนสมบัตบิ างประการของวัสดุนาโนอาจชว่ ยลดความเป็นพษิ ได้ ตวั อย่างเช่น - ฟูลเลอรีน (Fullerene) หากปรบั เปลี่ยนรูปของฟลูเลอรนี พ้ืนฐาน (C60) ให้เป็นรูปอ่ืนโดยการทาปฏิกิริยา ตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ (Carboxylation) และการทาปฏิกิริยาไฮดรอกซีเลชัน (Hydroxylation) จะทาให้เกิดฟลู เลอรีน รูปใหม่ (C60(OH)20) ซ่งึ มีความเป็นพิษนอ้ ยลง - ทอ่ นาโนคาร์บอน (Carbon nanotube) หลีกเลี่ยงการสังเคราะห์ชนิดที่ยาวและบางที่มีลักษณะคล้ายแร่ ใยหนิ ทีอ่ าจทาใหเ้ กิดโรคมะเรง็ เยื่อหุ้มปอดได้ นอกจากนี้การปรับเปล่ยี นองคป์ ระกอบทางเคมขี องท่อนาโนคารบ์ อน สามารถลดความเป็นพิษต่อเซลล์ (Cytotoxicity) ได้เช่น การสงั เคราะห์ท่อนาโนคาร์บอน แบบผนงั เดียว (SWCNT) ให้เป็นแบบ “Sidewall functionalization” แทนการสงั เคราะห์แบบ “Surfactant-stabilisation”

166 - หมุดควอนตัม (Quantum dot) ความเป็นพิษของหมุดควอนตัมท่ีเกิดจากการมีแกนหลักเป็นแคดเมียม หรือเซเลเนียม สามารถป้องกันได้โดยการ เคลือบด้วยโพลีเมอร์ (Polymer coatings) หรือการเคลือบด้วย สารประกอบ อินทรยี ์ทีเ่ ป็นกลาง (Neutral organic coatings) - โลหะ/โลหะออกไซด์ (Metal/metal oxide) สาหรับไททาเนียมไดออกไซด์ หากเป็นชนิดที่มีโครงสร้าง ผลกึ รไู ทลจ์ ะมีความเปน็ พษิ น้อยกวา่ ผลึกอนาเทส (เน่ืองจากผลกึ อนาเทสทาปฏกิ ิริยากับแสงยวู ไี ดไ้ วกวา่ ) นอกจากนี้ เราสามารถ ปรับเปลี่ยนกระบวนการโฟโตคะตะไลซิสของอนุภาคนาโนของโลหะออกไซด์ ด้วยการเติมสารโด๊ป “Dopants” เขา้ ไปในโครงผลึกของไททาเนยี มไดออกไซด์ ระดบั ท่ี 3 ด้าเนนิ การในระบบปดิ กระบวนการท้ังหมดที่คาดวา่ จะมีการปลดปลอ่ ยอนภุ าคนาโนสู่อากาศควรจะดาเนนิ การในหอ้ งทปี่ ดิ มิดชิด หรือ สถานท่ีท่ีแยกผู้ปฏิบัติงานออกจากกระบวนการผลิต ท้ังน้ีไม่ว่าจะเป็นกระบวนการ ผลิตวัสดุนาโนที่เป็นก๊าซ กระบวนการแปรรูปของเหลวให้เป็นผงด้วยการพ่น กระจาย (Spray drying process) หรือกระบวนการอื่นๆ ที่ เกีย่ วขอ้ งกบั การใช้ วัสดุนาโนทแี่ หง้ (เปน็ ผง) ควรดาเนนิ การภายใต้หอ้ งปิด ระดบั ที่ 4 ใชก้ ารควบคมุ ทางวิศวกรรม กระบวนการทง้ั หมดท่อี าจกอ่ ให้ เกดิ ฝุ่นละอองควรดาเนนิ การดว้ ยระบบดูดอากาศ (Extract ventilation) เช่น ตู้ดูดไอระเหย เคร่ืองดูดฝุ่นควันในกระบวนการผลิต การสัมผัสทางผิวหนังสามารถป้องกันได้โดยการปรับ กระบวนการทางาน ระดับท่ี 5 ควบคมุ การด้าเนนิ งาน โดยการลดจานวนบคุ ลากรทคี่ าดวา่ จะไดร้ บั สัมผสั ลงหรือลดระยะเวลาท่ใี ช้ในการปฎบิ ัตงิ านลง และจากัด กระบวนการ ผลิตอยู่ภายในบริเวณที่กาหนดเท่าน้ัน รวมทั้งไม่ปล่อยให้บุคคลท่ีไม่ได้รับ อนุญาตเข้าไปในบริเวณ ดังกล่าว ผูป้ ฏิบัตงิ านควรไดร้ ับข้อมูลเก่ียวกับความเป็น อันตรายของอนุภาคนาโนท่ีอยูใ่ นรปู ฝุ่น/ผง และผลกระทบ ต่อสุขภาพจากการ ได้รับสัมผัสกับฝุ่นที่เป็นอนุภาคนาโน ควรมีการเฝ้าระวังหรือตรวจสุขภาพอย่าง สม่าเสมอ นอกจากนี้ควรมีการทาความสะอาดชุดที่ใช้ทางาน และจัดเก็บแยก ต่างหากจากเสื้อผ้าส่วนตัว และควรมีการวาง แผนการทาความสะอาดสถานที่ ทางานเปน็ ประจาสมา่ เสมอ ระดับท่ี 6 ใช้อุปกรณป์ ้องกันอันตรายสว่ นบุคคล อุปกรณ์ป้องกันอันตราย ส่วนบุคคล (Personal protective equipment; PPE) ที่สาคัญ ได้แก่ อุปกรณ์ ป้องกันระบบหายใจและอุปกรณ์ปอ้ งกันการสัมผัสทางผิวหนงั ได้แก่ถุงมือ รองเท้า แว่นตา และชุดป้องกันสารเคมี อปุ กรณ์ป้องกันระบบหายใจ ควรใช้อุปกรณท์ ม่ี ีระดับความปลอดภัยสงู เช่น หน้ากากมาตรฐานสากล ชนดิ P3 และ FFP3 หรือชุดส่งผ่านอากาศ (Powered Air Purifying Respirator; PAPR) (รูปท่ี 8.1) นอกจากน้ีควรมีการอบรม การใช้อุปกรณ์การทดสอบความแนบสนิท (Fit test) รวมท้ังการบารุงรักษาเพ่ือ ให้การใช้อุปกรณ์เกิดประสิทธิผล สูงสุด สาหรับอปุ กรณ์ที่ใชป้ อ้ งกนั การสมั ผสั ทางผวิ หนงั ได้แก่ ถุงมือ รองเทา้ แว่นตากนั ลม/ฝุ่นและชดุ สวมใสค่ วรใช้ ถงุ มอื ยางสังเคราะหโ์ ดยอาจใส่สองช้ัน ตามสภาพการใช้งานและความเส่ียง สว่ นชดุ ทส่ี วมใส่ควรเปน็ ผา้ ทผี่ ลิตจาก ใย

167 สังเคราะห์โพลีเอธลี ีน (เช่น Tyvek) ซง่ึ สามารถป้องกนั การแทรกซมึ ของอนุภาคนาโนไดด้ ีกวา่ ชุดที่ทาจากผา้ ฝ้ายหรือ ผ้าที่มกี ารทกั ทอ (Safe Work Australia, 2009) รปู ท่ี 8.1 ชุดส่งผ่านอากาศ (Powered Air Purifying Respirator; PAPR) (http://www.cidrap.umn.edu/news-perspective/2014/09/commentary-health-workers-need- optimal-respiratory-protection-ebola) 8.4 นโยบายความปลอดภัยนาโน ในต่างประเทศ หนว่ ยงานทีก่ ากบั ดแู ลด้านความปลอดภยั นาโนในระดบั ประเทศ มกั เปน็ หนว่ ยงานทม่ี ีภารกิจ กากับดแู ลดา้ นความปลอดภยั ท่ีมีอยู่เดิมในสามสาขา ไดแ้ ก่ หนว่ ยงานคมุ้ ครองสขุ ภาพอนามัยของผบู้ รโิ ภค (เทยี บได้ กับกระทรวงสาธารณสุข สานักงานคณะกรรมการอาหารและยา และสานักงานคณะกรรมการคุ้มครองผู้บริโภค) หนว่ ยงานคุ้มครองความปลอดภยั และสขุ ภาพอนามัยของผู้ปฏบิ ัติงาน (เทยี บได้กับกระทรวงอุตสาหกรรม กระทรวง แรงงาน และกระทรวงสาธาณสขุ ) และหน่วยงานค้มุ ครองสิ่งแวดล้อม (เทยี บไดก้ ับกรมควบคมุ มลพษิ ) อย่างไรก็ตาม เพื่อผลในการควบคุมกันเอง หน่วยงานกึ่งวิชาการที่มีภารกิจในการกาหนดมาตรฐานระดับประเทศ อาจจะเป็นคน ละหน่วยงานกับหน่วยงานท่ีมีอานาจในการบังคับใช้กฎหมาย ตัวอย่างเช่นในสหรัฐอเมริกา มีรัฐบัญญัติความ ปลอดภัยและอาชีวอนามัย พ.ศ. 2513 (Occupational Safety and Health Act of 1970) ก่อตั้งสานักงานความ ปลอดภัยและอาชีวอนามัย (Occupational Safety and Health Administration หรือ OSHA) เป็นหน่วยงาน สงั กัดกระทรวงแรงงาน (Department of Labor) มีหน้าท่ีบงั คับใช้กฎหมาย ในขณะเดียวกันรัฐบัญญัติเดียวกันน้ัน ก็ก่อต้ังสถาบันความปลอดภัยและอาชีวอนามัยแห่งชาติ (National Institute for Occupational Safety and Health หรือ NIOSH) เป็นหน่วยงานวิชาการ สังกัดศูนย์ควบคุมและป้องกันโรค (Center for Disease Control

168 and Prevention หรือ CDC) กระทรวงสาธารณสุข (Department of Health and Human Services) มีหน้าที่ สร้างองค์ความรู้ด้านความปลอดภัยแรงงาน และถ่ายทอดองค์ความรใู้ ห้เกิดเป็นรูปธรรมเพื่อให้เกิดความปลอดภัย และสุขภาพที่ดีของผู้ใช้แรงงาน ในทวีปยุโรป มีกลไกความร่วมมือในภูมิภาค คือสหภาพยุโรป ท่ีสามารถตั้ง ข้อกาหนด (Directive) ให้ประเทศสมาชิกต้องออกกฎหมายหรือเปลี่ยนแปลงแก้ไขกฎหมายภายในตามข้อกาหนด นั้น ซ่ึงเป็นการปรับระบบกฎหมายในประเทศสมาชิกให้เป็นไปในแนวทางเดียวกัน โดยได้รับการสนับสนุนทาง วิชาการจากองค์การเพ่ือความร่วมมือทางเศรษฐกจิ และการพฒั นา (Organization for Economic Co-operation and Development หรือ OECD) อย่างไรก็ตามอาเซียนและเวทีนาโนเอเซีย (Asia Nano Forum) ไม่มีกลไก ดงั กลา่ ว ประเทศไทยจงึ ไดเ้ ขา้ รว่ มในเวทีระดับโลก เช่น OECD-WPMN โดยตรง สาหรับประเทศไทย ยังไม่มีการออกกฎหมายที่กากับดูแลความปลอดภัยของ วัสดุนาโนโดยเฉพาะ แต่ สามารถนากฎหมายที่มีอยู่โดยเฉพาะอย่างยิ่งกฎหมาย ท่ีเกี่ยวข้องกับความปลอดภัยสารเคมีมาปรับปรุงแก้ไขให้ ครอบคลุมวัสดุนาโน โดยเฉพาะอย่างย่ิงพระราชบัญญัติวัตถุอันตราย พ.ศ. 2535 (รวมฉบับแก้ไข เพิ่มเติม) และ กฎหมายที่ควบคุมผลิตภัณฑ์สุขภาพและผลิตภัณฑ์สาหรับผู้บริโภค ได้แก่กฎหมายเก่ียวกับอาหาร ยา เคร่ืองมือ แพทย์เครื่องสาอาง และวตั ถุอนั ตราย ในบา้ นเรือน ภายใต้การกากับดแู ลของสานกั งานคณะกรรมการอาหารและยา เป็นตน้ อย่างไรกด็ กี ฎหมายท่ีมีอยยู่ ังมชี ่องว่างบางประการทจ่ี าเปน็ ต้องไดร้ ับการ แกไ้ ขเพิม่ เติมเพื่อให้สามารถกากับ ดูแลความปลอดภัยของวัสดุนาโนและผลิตภัณฑ์ นาโนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่องว่างท่ีสาคัญ คือ การนิยามของ วัสดุนาโน และ การกาหนดประเภทวัสดุและผลิตภัณฑ์นาโน เพ่ือพัฒนาการควบคุมดูแลตาม กฎหมายที่เก่ียวข้อง รวมทั้งความเป็นอันตรายของอนุภาคของสารชนิดหนึ่ง ท่ีไมจ่ ากัดเฉพาะปริมาณท่ีได้รบั สัมผัส (เช่น สูดดม) แตต่ ้อง รวมถึงขนาดและ พ้ืนท่ีผิวของอนุภาคชนิดน้ันๆ ด้วย นอกจากนี้ ยังต้องพิจารณาประเด็น การบังคับใช้กฎหมาย โดยเฉพาะเร่ืองความพร้อมของเคร่ืองมือวัด เช่น เครื่องวัด ความเข้มข้นของอนุภาคนาโนในอากาศในโรงงาน อุตสาหกรรม เคร่ืองมือตรวจ วัดอนุภาคนาโนในผลิตภัณฑ์และในสิ่งแวดล้อม เช่น น้าท้ิงจากชุมชนและ โรงงาน อุตสาหกรรม การเตรียมความพร้อมของระบบตอบโต้สถานการณ์ฉุกเฉิน หากเกิดการรั่วไหลของวัสดนุ าโน เป็นต้น ในระดับนโยบาย คณะกรรมการนาโนเทคโนโลยีแห่งชาติได้แต่งต้ังคณะ อนุกรรมการด้านความปลอดภัยและการ บริหารความเส่ียงด้านนาโนเทคโนโลยี ข้ึนในปีพ.ศ. 2548 และในปี2553 คณะอนุกรรมการดังกล่าวได้ตั้ง คณะทางาน ร่างยุทธศาสตร์ทางด้านความปลอดภัยของนาโนเทคโนโลยี ซึ่งได้มียกร่าง ยุทธศาสตร์ฯ และรับฟัง ความคิดเห็นจากภาคส่วนต่างๆ และจะนาเสนอยุทธศาสตร์ฯ ต่อคณะกรรมการพัฒนาวิทยาศาตร์และเทคโนโลยี แห่งชาติ (กวทช.) และ คณะกรรมการแห่งชาติว่าด้วยการพัฒนายุทธศาสตร์การจัดการสารเคมีต่อไป หาก ยทุ ธศาสตร์ฯ ได้ผ่านความเห็นชอบจะช่วยใหก้ ารบริหารจัดการด้าน ความปลอดภัยและจริยธรรมท่ีเกี่ยวข้องกบั นา โนเทคโนโลยีของหน่วยงานตา่ งๆ มีความชัดเจนและเป็นเอกภาพมากยิง่ ข้นึ (นโยบายความปลอดภยั นาโน, 2559)

169 บทสรปุ เนือ่ งจากขนาดทีเ่ ลก็ เป็นพิเศษส่งผลใหอ้ นุภาคนาโนมปี ระโยชน์มากมายในการนาไปใช้งาน แต่น่าเสียดายที่ สมบตั ิเดียวกนั นี้ยังก่อให้เกดิ ผลกระทบหลายประการและอาจเป็นอันตรายตอ่ สง่ิ แวดล้อม สัตว์ มนษุ ยแ์ ละพืชเมอ่ื ใช้ อย่างไม่ระวัง ปัจจุบันการศึกษาถึงอันตรายและผลกระทบต่อสุขภาพของอนุภาคนาโนท่ีมีต่อมนุษย์ยังมีข้อจากัด ข้อมลู สว่ นใหญไ่ ด้จากการศกึ ษาในเซลล์สิ่งมีชวี ิตและสตั ว์ทดลอง อย่างไรก็ตามอนุภาคนาโนสามารถเข้าสู่รา่ งกายได้ 3 ทาง คือ ทางการหายใจ ทางผวิ หนัง และการกิน การศกึ ษาผลของอนุภาคนาโนท่ีมตี ่อเซลลส์ ่ิงมีชวี ิตแบ่งออกเป็น สองรปู แบบ ได้แก่ การศึกษาแบบอินวิโทร (In vitro study) และการศกึ ษาแบบอนิ ไวโว (In vivo study) เนื่องจากความเส่ียงข้างต้นการใช้นาโนเทคโนโลยีจึงต้องได้รับการจัดการอย่างระมัดระวังและจาเป็นต้อง ได้รับการรับรองในการวิเคราะห์และตรวจสอบความเสี่ยงที่เก่ียวข้องท้ังหมดในสารประกอบนาโน โดยทาการจัด โปรแกรมการประเมนิ ความเสย่ี งที่สามารถดาเนนิ การได้ทนั ทีในกรณีทีด่ ิน บรรยากาศ หรอื ส่งิ มชี ีวติ สัมผัสกบั ความ เป็นพิษของอนุภาคนาโน นอกจากน้ีผู้ทางานควรได้รับการศึกษาและการฝึกอบรมในการใช้งานอนุภาคนาโนอย่าง เหมาะสม ตลอดจนควรมีองค์กรที่รับผิดชอบในการสารวจและตรวจสอบการวิจัยและกิจกรรมทางอุตสาหกรรมที่ เก่ียวขอ้ งกับนาโนเทคโนโลยีอย่างตอ่ เน่อื ง

170 แบบฝึกหดั ทา้ ยบท 1. จงอธบิ ายการศกึ ษาแบบอนิ วิโทร (In vitro study) และ อินไวโว (In vivo study) 2. จงยกตัวอย่างผลกระทบหรืออันตรายทอี่ าจเกดิ จากการใชเ้ ทคโนโลยีนาโนต่อสงิ่ แวดลอ้ ม สตั ว์ หรอื มนษุ ย์ 3. จงระบุความเปน็ พิษของไททาเนยี มไดออกไซด์มา 2 ข้อ 4. การจดั กลมุ่ การประเมนิ ความเปน็ อนั ตรายของวัสดุนาโนแบง่ ออกเปน็ 4 กลุ่ม ไดแ้ กอ่ ะไรบา้ ง 5. จงยกตวั อย่างการลดความเป็นพษิ ของวสั ดุนาโนโดยการทดแทนหรือเปลย่ี นรปู มา 2 ตัวอย่าง

เอกสารอา้ งองิ Batsungnoen, K. (2017). Nano Safety. สบื คน้ เม่ือ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.researchgate.net/publication/318596519 Brosseau, L.M., & Jones, R. (2014). COMMENTARY: Health workers need optimal respiratory protection for Ebola. สืบคน้ เมอื่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก http://www.cidrap.umn.edu/news-perspective/2014/09/commentary-health-workers- need-optimal-respiratory-protection-ebola นโยบายความปลอดภัยนาโน. (2559). สบื คน้ เมือ่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://www.nanotec.or.th/th/?p=5872