ວິຊາ นาโนเทคโนโลยเบื้องต้น

23 รูปที่ 2.6 ภาพจาลองเสน้ ผมของมนษุ ย์ (ทม่ี า : https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=50317.php) 2.5 ใบบวั (Lotus Leaf) ต้นบัว (Nelumbo nucifera) เปน็ พืชพน้ื เมอื งของเอเชียทมี่ สี มบัติท่นี ่าสนใจโดยมคี วามสามารถในการรกั ษา ใบให้สะอาดแม้ว่าท่ีอยู่อาศัยตามธรรมชาติจะเป็นโคลน ด้วยเหตุน้ีในบางวัฒนธรรมจึงถือว่าพืชชนิดน้ีมีความ ศกั ด์ิสิทธิ์และเป็นสัญลักษณ์ของความบรสิ ทุ ธ์ิ ใบบวั มลี ักษณะที่โดดเดน่ ในการตอ่ ตา้ นน้าเนอ่ื งจากมีความไม่ชอบน้า อย่างมาก (Superhydrophobic) ส่งผลให้น้ากล้ิงออกจากผิวใบและชะล้างส่ิงสกปรกออกได้ การทาความสะอาด ตัวเองได้นี้ (Self-cleaning) ส่งผลใหใ้ บบัวสะอาดและทนต่อสิ่งสกปรก โดยผลแบบเดียวกนั นี้ยังพบได้ในใบไม้ชนิด อื่นๆ เช่น นาสเตอเตียม (Nasturtium) และเคนนาส (Cannas) บางชนิด และพบในสัตว์บางชนิด เช่น จิงโจ้น้า (Water strider) รูปท่ี 2.7 โครงสร้างจลุ ภาคของใบบวั (ทมี่ า : https://www.jeremyjordan.me/lotus-leaf-how-nature-makes-water-repellant-materials/)

24 รปู ท่ี 2.8 การทาความสะอาดตัวเองของใบบัว (ทม่ี า : http://era-kreativindustrie.eu/language/en/hohenstein-institute-and-itcf-dekendorf-the- lotus-effect-nano-surfaced-fibres/) สมบตั ิทพ่ี ื้นผิวของใบบัวไดร้ ับการศกึ ษาครั้งแรกโดย วลิ เฮล์ม บาร์ธลอตต์ (Wilhelm Barthlott) ในปี 1997 เขาได้เผยแพร่บทความสาคัญท่ีอธิบายปรากฏการณ์ใบบัว (Lotus effect) เป็นครั้งแรก เก่ียวกับสมบัติการทา ความสะอาดตวั เองของใบบัว โดยบาร์ธลอตต์แสดงให้เห็นวา่ สมบัติการทาความสะอาดตัวเองของใบบัวเกิดจากการ ทางานรว่ มกันของโครงสร้างจุลภาคของใบบัวกับเซลลบ์ นพืน้ ผิวที่ปกคลุมด้วยผลึกขี้ผ้งึ (Wax crystals) ดงั รูปที่ 2.7 โดยผลึกเหล่าน้ีทาให้เกิดช้ันที่ต่อต้านน้า และมีประสิทธิภาพเพ่ิมขึ้นเน่ืองจากความขรุขระของพื้นผิว ส่งผลให้เกิด เป็นพ้ืนผิวท่ีไม่ชอบน้าอย่างมาก (Superhydrophobic) โดยมีมุมการสัมผัสของน้ากับพ้ืนผิว (Contact angle) ประมาณ 150° ส่งผลใหก้ ารสมั ผสั กันระหวา่ งหยดนา้ กบั พื้นผิวลดลง หยดน้าจึงม้วนตัวเปน็ ทรงกลม สง่ ผลให้หยดนา้ กลิง้ ออกจากใบบัวและดึงสง่ิ สกปรกออกตามไปดว้ ย ดงั แสดงในรูปท่ี 2.8 ปรากฏการณท์ าความสะอาดตัวเองนีส้ ง่ ผล ให้ใบบัวสะอาดและตา้ นทานต่อคราบสกปรก โดยสิ่งปนเป้ือนบนพ้ืนผิว (โดยท่ัวไปมขี นาดใหญก่ ว่าโครงสร้างเซลล์ ของใบ) จะอยู่ท่ปี ลายของพ้ืนผวิ ทข่ี รุขระ และเมอื่ หยดน้ากลิ้งผา่ นสง่ิ สกปรก หยดนา้ จะกาจัดอนภุ าคเหล่าน้ีออกจาก พนิ้ ผวิ ของใบ 2.6 เท้าตกุ๊ แก (Gecko Feet) ตุ๊กแกสามารถเกาะบนพ้ืนผิวต่างๆ ได้ในหลายทิศทาง สามารถเดินบนพื้นผิวเรียบและขรุขระได้ หรือ แม้กระท่ังกลบั หวั บนพน้ื ผิวกระจก เดนิ บนพน้ื ผวิ สกปรกหรือเปียกไดโ้ ดยยังมกี ารยดึ เกาะที่ดี โดยไม่มีการปลอ่ ยสาร เหนียวในขณะท่ีเดิน และไม่เกิดการดูดกับพ้ืนผิว (แม้ที่ระดับจุลภาค) ซ่ึงสมบัติท่ีน่าอัศจรรย์ของตุ๊กแกนั้นคือ โครงสรา้ งระดบั นาโนท่อี ยู่บนเทา้ ของมัน

25 รปู ท่ี 2.9 โครงสรา้ งจลุ ภาคของเทา้ ตกุ๊ แก (ท่มี า : Sitti & Fearing, 2003) โดยพบว่าบรเิ วณเท้าต๊กุ แกจะมีสันเลก็ ๆทีเ่ รยี กวา่ สแกนเซอร์ (Scansors) ซึ่งประกอบด้วยเส้นขนมากมายท่ี เรียกว่า ซีเต้ (Setae) โดยแต่ละซีเต้จะยาวประมาณ 100 ไมโครเมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 ไมโครเมตร บนเท้าของตุ๊กแกจะมซี ีเต้อยปู่ ระมาณ 500,000 เสน้ โดยแต่ละเส้นจะถูกแบ่งยอ่ ยออกไปอกี เป็นพันเส้น และมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 200 นาโนเมตร เรียกว่า สปาตูเล (Spatula) ดังรูปที่ 2.9 ส่งผลให้เท้าตุ๊กแกมี พื้นที่ผิวที่มาก เนื่องจากสปาตูเลของตุ๊กแกนั้นยืดหยุ่นมากจึงสามารถที่จะยึดเข้าไปในโครงสร้างระดับโมเลกุลของ พื้นผวิ ต่างๆได้ ส่งผลให้มีการยดึ เกาะท่ีแขง็ แกรง่ ซึ่งเปน็ ผลมาจากแรงวนั เดอรว์ าลล์ (Van der Waals) โดยพบวา่ ซีเต้ หนึ่งเส้นสามารถต้านทานแรงได้ 200 ไมโครนิวตัน หรือประมาณ 10 เทา่ ของความเค้น ซึ่งแสดงถึงผลของพ้ืนท่ีผิว ขนาดใหญ่ทม่ี ตี อ่ แรง สมบัติที่น่าสนใจอีกอย่างของตุ๊กแกคือ เท้าของตุ๊กแกจะไม่เป้ือนแม้เดินบนพ้ืนผิวท่ีปกคลุมด้วยทราย ฝุ่น หรือนา้ เป็นต้น เทา้ ของตุ๊กแกจะสะอาดอยู่เสมอแมบ้ นพื้นผิวทส่ี กปรกและยงั คงมกี ารยึดเกาะที่ดี โดยได้มกี ารศึกษา ปรากฏการณ์น้ีและพบว่าเท้าของตุ๊แกยังคงสะอาดเนื่องจากความชอบของอนุภาคในการยึดเกาะบนพ้ืนผิวนั้ น มากกว่าการยึดเกาะบนสปาตูเลของต๊กุ แก หากตุ๊กแกเดินบนพื้นผิวที่สกปรก เท้าจะกลับมาสะอาดอีกครั้งภายหลัง การเดนิ ต่อเพยี ง 2-3 กา้ ว และการยึดเกาะจะไม่ลดลง 2.7 ปีกผเี ส้อื (Butterfly Wing) สีที่เห็นบนปีกผีเส้ือสัมพันธ์โดยตรงกับโครงสร้างขนาดเล็กภายในปีกระดับนาโนท่ีอัดแน่น ทาหน้าที่เป็น ตะแกรงใหเ้ กดิ การเลย้ี วเบนและเหนี่ยวนาให้เกดิ สีรุง้ สีของปกี ผีเส้อื ในบางสายพันธุ์ เช่น มอร์ฟอรเี ทนอร์ (Morpho rhetenor) เกดิ จากเม็ดสีที่ดูดซบั สที ี่จาเพาะ เน่อื งมาจากการมีอยูข่ องโครงสรา้ งนาโนทเ่ี ปน็ ผลกึ โฟโตนิก (Photonic crystal)

26 ปีกของผีเสื้อแสดงสีสันที่โดดเด่น เน่ืองมาจากพ้ืนผิวของปีกและการเกิดอันตรกิริยากับแสง นอกจากน้ียัง สามารถแสดงสรี ้งุ โดยการเปลี่ยนสขี องวัตถุเมอ่ื มองในมุมต่างกัน ตัวอย่างของปรากฏการณ์นีส้ ามารถเหน็ ไดง้ ่ายบน แผ่นซดี ี สรี ุ้งเป็นสีทางฟิสิกส์และเปน็ ผลมาจากอันตรกริ ิยาของแสงกับโครงสร้างทางกายภาพของพ้ืนผิว ซึง่ การเกิด อันตรกริ ิยากบั แสงทม่ี องเหน็ ได้นั้น (Visible light) โครงสร้างจะต้องอยใู่ นระดบั นาโนเมตร โดยสเปกตรัมของแสงท่ี มองเห็นไดจ้ ะอยู่ในชว่ งความยาวคลื่นระหว่าง 380-750 นาโนเมตร ซ่งึ อันตรกริ ยิ าของแสงกับพื้นผวิ ที่มคี วามขรขุ ระ ระดับนาโนสามารถทาให้เกิดการแทรกสอดท้ังแบบเสริมและหักล้าง โดยพบว่า สี ความเข้ม และมุม ของสีรุ้งจะ ข้ึนอยกู่ ับความหนาและค่าดัชนีหกั เหของพื้นผิว และขึน้ กับมมุ ตกกระทบและความถ่ีของแสงท่ีตกกระทบ ในกรณีของผีเสื้อและแมลงเม่า การเกิดสีรุ้งน้ันมีรูปแบบที่แปลกประหลาด นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษา รายละเอียดโครงสรา้ งปกี ของมอรฟ์ อรเี ทนอร์ (Morpho rhetenor) พบวา่ เกิดจากการจัดเรียงตวั ของเกล็ดเป็นแถว คล้ายกระเบ้ืองบนหลังคา โดยแต่ละเกล็ดมีขนาดประมาณ 70 x 200 ไมโครเมตร และมีโครงสร้างขนาดเล็กใน ลักษณะเป็นสันที่มีความซับซ้อนจัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบในระดับนาโนเมตรบนพื้นผิว โดยแต่ละสันกว้าง ประมาณ 800 ไมโครเมตร โดยช่องว่างระหว่างสันจะก่อตัวเป็นผลึกโฟโตนิกทางธรรมชาติที่สามารถทาให้เกิดการ แทรกสอดแบบเสริมและหักล้าง จากการวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของ ภาพตัดขวางของสันท่ีเกิดขึ้นบนปีกพบว่ามีโครงสร้างท่ีซับซ้อนคล้ายกับต้นสน เรียกว่า ซีเต้ มีความยาวประมาณ 400 นาโนเมตร ซ่ึงสอดคล้องสาหรับการเกิดการแทรกสอดในช่วงความยาวคลื่นแสงสีฟ้าทาใหเ้ กิดเป็นสีฟ้าเข้ม ดัง รปู ที่ 2.10 นอกจากนี้ในวัสดุจาพวกพลอย จะพบการเกิดสีรุ้งทางธรรมชาติเน่ืองจากการเกาะกลุ่มกันของอนุภาคทรง กลมของซิลิกาในระดับนาโนเมตร ทม่ี ขี นาดสมา่ เสมอและจัดเรยี งตัวเป็นชน้ั ซงึ่ สง่ ผลให้เกิดสภาวะท่ีเหมาะสมในการ เกิดการแทรกสอด รปู ท่ี 2.10 โครงสร้างจลุ ภาคของปกี ผีเส้อื (ท่ีมา : https://lizardking90.tumblr.com/post/45341435398/the-wing-of-a-beautiful-blue-morpho- butterfly)

27 2.8 เปลือกหอยเปา๋ ฮ้ือ (Abalone Shell) เปลือกหอยเตบิ โตจากช้นั ของเซลล์ทเี่ คลือบบนโปรตนี ที่รองรบั ดว้ ยพอลิแซคคาไรด์ (Polysaccharide) หรือ ไคติน (Chitin) โดยโปรตนี จะทาหน้าที่เปน็ กลไกในการควบคุมการเติบโของผลึกแคลเซยี มคารบ์ อเนต โดยรอบผลึก แต่ละอันยังคงมีเมทริกซ์ที่คล้ายรังผ้ึงของโปรตีนและไคติน ตัวเคลือบท่ีค่อนข้างยืดหยุ่นน้ีเป็นพื้นฐานของสมบัติ เชิงกลของเปลือกหอยและช่วยลดการแตกหัก โดยขนาดของแต่ละผลึกอยู่ท่ีประมาณ 100 นาโนเมตร ส่งผลให้ เปลือกหอยมสี มบตั ิทางกายภาพที่โดดเดน่ (แขง็ แรง ทนตอ่ การกดอดั เปน็ ตน้ ) การท่ีเปลือกหอยเป๋าฮ้ือมีลักษณะเป็นมันวาว มีความแข็งแรงทนทาน ไม่แตกหักง่าย เม่ือถูกทุบหรือ กระแทกอย่างแรง เม่ือเปรียบเทียบกับชอล์คซ่ึงมีองค์ประกอบเป็นแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) เช่นเดียวกัน เนื่องมาจากแคลเซยี มคาร์บอเนตในชอล์คมีลักษณะเป็นผงฝุ่น แต่ในเปลอื กหอยเป๋าฮื้อพบวา่ แคลเซยี มคาร์บอเนตมี การจัดเรียงตัวเป็นแผ่นเหลย่ี มเล็กๆ ที่มีความหนาประมาณ 0.5 – 10 µm และวางเรียงซอ้ นกันอย่างเป็นระเบยี บมี ลกั ษณะคล้ายกาแพงอิฐ โดยแต่ละช้ันห่างกันประมาณ 20 – 30 nm และในระหว่างช้ันนั้นจะมีโปรตีนสายยาวทา หน้าท่เี สมอื นกาวเชือ่ มระหว่างชัน้ จงึ ทาใหเ้ ปลอื กหอยเป๋าฮอื้ มีความแข็งแรงมาก รปู ท่ี 2.11 (ก) ลกั ษณะทวั่ ไป และ (ข) โครงสร้างจลุ ภาคของเปลอื กหอยเป๋าฮ้อื (ท่ีมา : Luo & Bazant, 2017) 2.9 ใยแมงมุม (Spider Silk) ใยแมงมุมเป็นวัสดุท่ีรู้กันดีถึงความแข็งแรง โดยมีความแข็งแรงกว่าเหล็กถึงห้าเท่าที่น้าหนักเท่ากัน โดย สมบัติพิเศษของใยแมงมุมเนื่องจากโปรตีนท่ีสรา้ งเส้นใยและองค์ประกอบระดับโมเลกุลที่ระดับนาโน แมงมุมมีต่อม พเิ ศษทีส่ ามารถหลั่งโปรตีนท่ลี ะลายในน้าได้เรียกว่า ไฟโบรอิน (Fibroin) เม่ือแมงมุมหลัง่ โปรตีนชนิดน้ีออกมาจาก ตอ่ มโปรตีนจะเปล่ยี นสถานะจากของเหลวไปเป็นของแข็งหลงั จากน้นั แมงมมุ จะใช้ขาในการถักทอโปรตนี เหลา่ น้ีเป็น เส้นใยขึน้ ใยแมงมุมเปน็ เส้นใยที่มคี วามแข็งแรงและเหนียวมาก ใยแมงมุมสามารถดกั แมลงท่ีบินด้วยความเร็วสูงได้ โดยทใ่ี ยไม่ขาด ปัจจุบันสามารถสร้างใยแมงมุมเลียนแบบแมงมุมได้ โดยการตัดต่อยนี ที่ควบคุมการสร้างโปรตีนไฟ โบรอินจากแมงมุม แล้วนาไปใส่ไว้ในโครโมโซมของแพะ เพ่ือให้นมแพะมีโปรตีนใยแมงมุมจากน้ันแยกโปรตีนนั้น ออกมาปั่นทอเป็นเส้นใย เพื่อใช้ในการผลติ เสื้อเกราะกนั กระสนุ ท่ีแข็งแรง แตม่ นี ้าหนักเบา นอกจากน้ยี ังสามารถนา ใยแมงมมุ ไปใช้เป็นเส้นใยผ้ารักษาแผลสดได้ เปน็ ต้น

28 รปู ที่ 2.12 ใยแมงมมุ (ทม่ี า : http://wwwchem.uwimona.edu.jm/courses/CHEM2402/Textiles/Animal_Fibres.html) รปู ท่ี 2.13 แบบจาลองโครงสรา้ งของไฟโบรอิน เม่อื สขี าวคือไกลซีน สสี ม้ คืออะนลิ นี (ที่มา : Lee, et al., 2016) 2.10 จงิ โจ้น้า (Water Strider) จงิ โจน้ ้า เป็นแมลงท่ีเดนิ บนผิวน้าได้ การที่จิงโจน้ ้าเดินบนผวิ น้าได้นั้นเน่ืองจากบนผิวนา้ มีแรงที่เกิดจากแรง ดงึ ดดู ระหวา่ งโมเลกลุ หรือทีเ่ รียกว่า แรงระหว่างโมเลกุล (Intermolecular forces) แรงดังกลา่ วนท้ี าใหโ้ มเลกลุ ทอ่ี ยู่ ภายในถูกโมเลกุลท่ีอยู่รอบๆ ดึงดูดในทุกทิศทาง ไม่มีแรงดึงไปทางใดทางหน่ึงโดยเฉพาะ แต่โมเลกุลท่ีอยู่บริเวณ ผิวหน้าของของเหลวจะถูกดึงดดู จากโมเลกุลท่ีอยู่ดา้ นข้างและด้านล่างเท่านั้น ไมม่ ีแรงดึงดูดข้ึนด้านบน ท่ีผิวของ ของเหลวจงึ มีแต่แรงดึงเข้าภายใน เรียกวา่ แรงตงึ ผิว แรงดึงนจ้ี ะพยายามดงึ โมเลกลุ ทีผ่ วิ หนา้ ของของเหลวดว้ ยแรงที่ มากที่สุด ทาให้ผิวหน้าของของเหลวเกิดการหดตัวลง เพ่ือลดพ้ืนที่ผิวให้เหลือน้อย แรงที่ดึงโมเลกุลท่ีผิวหน้าของ ของเหลวเข้าภายในนี้ทาให้เกิดแรงตึงผิวข้ึน น้าหรือของเหลวจงึ สามารถพยุงวตั ถุบางชนดิ ให้อยู่บนผิวหน้าได้ จิงโจ

29 น้าจึงเดินบนผวิ น้าได้ นอกจากน้จี ิงโจ้นา้ ยงั มีลักษณะพิเศษคือ มีขายาว และที่ปลายขามีต่อมน้ามัน รวมทั้งขนเล็กๆ จานวนมากที่ปลายขาคูก่ ลางในการชว่ ยพยุงลาตัว รปู ท่ี 2.14 การเดินบนผิวนา้ ของจิงโจน้ ้า (ที่มา : https://www.nstda.or.th/th/sci-kids-menu/3553-water-strider) รูปท่ี 2.15 โครงสร้างจลุ ภาคบรเิ วณขาของจงิ โจน้ ้า (ทมี่ า : https://phys.org/news/2015-07-legs-striders-repel.html) วสั ดุนาโนธรรมชาติเป็นท่ีสนใจไม่เพียงแต่เพ่ือศึกษาความเข้าใจสมบตั ิท่ีนา่ ท่ึงของวัสดุชีวภาพแต่ยังเป็นแรง บันดาลใจในการออกแบบและจัดการวสั ดุใหม่ๆด้วยสมบัติข้นั สูง ธรรมชาติมีกฎอยา่ งง่ายท่สี ามารถนาไปประยุกตใ์ ช้ ในการออกแบบและจดั การวสั ดุใหม่ๆ ได้ ไดแ้ ก่ 1) ธรรมชาติดาเนินไปตามแสงอาทิตย์และใช้พลังงานเท่าท่ีจาเป็นเท่านั้น ด้วยเหตุนี้วัสดุนาโนธรรมชาติจึง เป็นวัสดทุ มี่ ปี ระสิทธิภาพทางพลังงานอย่างมาก 2) ธรรมชาตมิ รี ปู แบบทเี่ หมาะกับการทางานและการนากลบั มาใชใ้ หม่ ในธรรมชาติไมม่ ขี องเสีย 3) ธรรมชาติชอบที่จะรวมตัวกนั เพ่อื ก่อให้เกิดความหลากหลายและความสามารถเฉพาะตวั

30 ในสาขาของวิศวกรรมวัสดุมีความพยายามในการประดิษฐ์วัสดุท่ีเลียนแบบธรรมชาติท่ีเรียกว่า ไบโอมิเมติก (Biomimetics) ซ่ึงใช้นาโนวทิ ยาศาสตร์เป็นส่วนประกอบพืน้ ฐาน โดยตัวอย่างของวสั ดุไบโอมิเมติก แสดงดังตาราง ท่ี 2.1 ตารางที่ 2.1 ตวั อย่างของวสั ดไุ บโอมเิ มติก แรงบันดาลใจจาก วสั ดุไบโอมิเมตกิ โครงสรา้ งของมุก เปลอื กหอย พอลิเมอร์ ไม้ เอน็ และกระดูก องค์ประกอบโครงสร้างต่างๆ ปลาไหลไฟฟ้า และระบบประสาท การเหน่ียวนาทางไฟฟา้ ปีกผเี สื้อ และหนอนเรอื งแสง ผลกึ โฟโตนิก เท้าตุก๊ แก กาว ใยแมงมุม เส้นใยทมี่ คี วามแขง็ แรงสูง สมองมนษุ ย์ ปัญญาประดิษฐ์และคอมพวิ เตอร์

31 บทสรปุ โดยหลักการแล้ววัสดุทุกชนิดสามารถอธิบายได้ที่ระดับนาโน “วัสดุนาโนธรรมชาติ” หมายถึงวัสดุที่เป็น ของธรรมชาติ (พืช สัตว์ และแร่ธาตุ) โดยไม่มีการดัดแปลงหรือผ่านกระบวนการของมนุษย์และมีสมบัติที่โดดเด่น เนอื่ งจากโครงสรา้ งระดบั นาโนในธรรมชาติ โดยเอกลักษณ์ทางเคมีและสมบัติของสารจะขน้ึ อยู่กบั โครงสร้างโมเลกุล โครงสรา้ งนาโนของวัสดชุ ีวภาพเกิดจากการจดั เรยี งของโมเลกุลต้ังแต่สิบถึงร้อยเป็นรปู ร่างและรูปแบบในชว่ งระดับ นาโน โดยโครงสร้างนาโนเหล่าน้ีส่งผลให้วัสดุธรรมชาติมีสมบัติท่ีโดดเด่น ที่สามารถเห็นได้ในระดับมหภาค นอกจากน้ีวัสดุนาโนธรรมชาตยิ งั ชว่ ยสรา้ งแรงบันดาลใจในการออกแบบและจัดการวสั ดุใหมๆ่ ดว้ ยสมบตั ิขนั้ สูง ซึ่งใน สาขาของวิศวกรรมวัสดุมีความพยายามในการประดิษฐ์วัสดุที่เลียนแบบธรรมชาติท่ีเรียกว่า ไบโอมิเมติก (Biomimetics) โดยใช้นาโนวทิ ยาศาสตร์เปน็ ส่วนประกอบพน้ื ฐาน

32 แบบฝึกหัดทา้ ยบท 1. จงยกอธิบายสมบตั ิท่ีพ้นื ผวิ ของใบบัวพร้อมอธบิ ายหลักการ 2. จงอธิบายการยดื เกาะผนงั ของตกุ๊ แกวา่ เกีย่ วข้องกับนาโนเทคโนโลยอี ยา่ งไร 3. เหตใุ ดจิงโจน้ า้ จึงเดนิ บนผิวน้าได้ 4. จงอธิบายสมบตั ิทางดา้ นนาโนของเปลอื กหอยเปา๋ ฮอื้ 5. จงยกตวั อย่างวสั ดไุ บโอมเิ มติกทม่ี แี รงบนั ดาลใจจากวสั ดธุ รรมชาติมา 4 ตัวอยา่ ง

เอกสารอ้างอิง _______. (มปป.). Montmorillonite. สบื ค้นเม่ือวันที่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://wgnhs.uwex.edu/minerals/montmorillonite/ Maina, E., Wanyika, H., & Gachanja, A. (2 0 1 6 ) . Natural pyrethrum extracts photo-stabilized with organo clays. Journal of Scientific Research and Reports, 9(7), 22433. _______. (มปป.). Agriculture-Raw Materials for Flowable Formulations. สืบคน้ เมอ่ื วันท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://www.kunimine.co.jp/english/products/flowable.html _______. (2011). Of Terms in Biology: Colloids. สืบค้นเมอ่ื วันที่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://schaechter.asmblog.org/schaechter/2011/02/of-terms-in-biology-colloids.html Sadat-Shojai, M., Khorasani, M.T., Jamshidi, A. (2013). Synthesis methods for nanosized hydroxyapatite with diverse structures. Acta Biomaterialia. DOI:10.1016/j.actbio.2013.04.012 _______. (2018). Turning hair into a biomedical nanomaterial. สืบค้นเมื่อวันที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=50317.php _______. (2016). The lotus leaf: how nature makes water-repellent materials. สืบค้นเม่ือวันที่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://www.jeremyjordan.me/lotus-leaf-how-nature-makes-water-repellant-materials/ _______. (มปป.). Lotus-effect. สืบคน้ เมื่อวันท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก http://era-kreativindustrie.eu/language/en/hohenstein-institute-and-itcf-dekendorf-the- lotus-effect-nano-surfaced-fibres/ Sitti, M., & Fearing, R.S. (2003). Synthetic gecko foot-hair micro/nano-structures as dry adhesives. Journal of Adhesion Science and Technology, 18(7), 1055-1074. _______. (2013). Pure Science=Raw Awesome. สืบค้นเมือ่ วนั ท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://lizardking90.tumblr.com/post/45341435398/the-wing-of-a-beautiful-blue-morpho- butterfly Luo, W., & Bazant, Z.P. (2017). Fishnet model for failure probability tail of nacre-like imbricated lamellar materials. PNAS, 114(49), 12900-12905. _______. (2011). Unit - Chemistry of Garments: Animal Fibres. สืบค้นเมื่อวันท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก http://wwwchem.uwimona.edu.jm/courses/CHEM2402/Textiles/Animal_Fibres.html Lee, M., Kwon, J., & Na, S. (2016). Mechanical behavior comparison of spider and silkworm silks using molecular dynamics at atomic scale. Physical Chemistry Chemical Physics, 18(6), 4814–4821. _______. (มปป.). จิงโจน้ ้ากบั แรงตึงผวิ . สบื ค้นเมื่อ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.nstda.or.th/th/sci-kids-menu/3553-water-strider

34 Packham, C. (2015). How the legs of water striders repel water. สืบคน้ เมอื่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://phys.org/news/2015-07-legs-striders-repel.html

แผนบริหารการสอนประจาบทที่ 3 หวั ข้อเนอื้ หา ปรากฏการณท์ ่ีระดบั นาโน 3.1 ฟิสกิ ส์ทรี่ ะดับนาโน 3.2 ปัจจยั ทส่ี ่งผลตอ่ สมบตั ิของวัสดุนาโน 3.3 สมบตั ิของวสั ดุระดับนาโน วัตถปุ ระสงคเ์ ชงิ พฤตกิ รรม เมอื่ ผเู้ รียน เรียนจบบทนแี้ ลว้ ผู้เรยี นควรมีความรูแ้ ละทกั ษะดังนี้ 1. มีความเข้าใจปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ในระดบั นาโน 2. มคี วามเข้าปจั จัยท่สี ง่ ผลตอ่ สมบตั ิของวสั ดุนาโน วธิ สี อนและกจิ กรรมการเรยี นการสอนประจาบท 1. บรรยายเนือ้ หาในแต่ละหัวข้อพร้อมยกตัวอยา่ งประกอบ 2. ศกึ ษาเอกสารประกอบการสอน 3. ผู้สอนสรปุ เนอื้ หา 4. ผู้สอนทาการซักถาม สือ่ การเรียนการสอน 1. เอกสารประกอบการสอนวิชานาโนเทคโนโลยีเบ้ืองตน้ 2. Power Point การวดั ผลและประเมินผล 1. ประเมินจากการซักถามในช้ันเรียน 2. ประเมินจากการทาแบบฝึกหดั ทบทวนท้ายบทเรยี น 3. ประเมนิ จากการสอบกลางภาค



บทที่ 3 ปรากฏการณท์ รี่ ะดับนาโน (Effect of Nanoscale) ======================================================================== “นาโนวิทยาศาสตร์” หรือเรียกว่า “ศาสตร์แห่งสิ่งเล็ก” คาถามที่กล่าวถึงในบทนี้คือ เหตุใดขนาดจึงมี ความสาคัญ อะไรคือความพิเศษเก่ียวกับวสั ดุขนาดนาโน สมบัติแตกต่างจากวสั ดุท่ีเป็นกลุ่มธรรมดาอย่างไร โดยใน บทนี้จะกล่าวถึงการพิจารณาเชิงลึกของฟิสิกส์ควอนตัมที่เป็นพ้ืนฐานสาคัญของนาโน ซ่ึงจาเป็นต่อการทาความ เข้าใจสมบตั ิพเิ ศษของวสั ดนุ าโน โดยจะมุ่งเน้นไปทผี่ ลกระทบท่มี ตี ่อสมบัติของวัสดุ จากการศึกษาสมบัติทางกายภาพขนาดมหภาคของสาร (จุดหลอมเหลว จุดเดือด การนาไฟฟ้า ฯลฯ) ยกตวั อย่างเชน่ การศกึ ษาตัวอยา่ งน้าบรสิ ทุ ธภิ์ ายใต้สภาวะแวดล้อมปกติในการหาจดุ เดือดของน้าหนึ่งโมล (หน่งึ โมล มีโมเลกุล 6.022 x 1023 น้าหน่ึงโมลหนัก 18 กรัม) ค่าที่ได้เป็นค่าเฉลี่ยจากพฤติกรรมเป็นล้านล้านโมเลกุลของน้า ซึ่งผลลพั ธค์ วรเป็นจริงสาหรับกลุ่มโมเลกลุ ขนาดใดกไ็ ด้ แตพ่ บว่าไมถ่ ูกต้องสาหรับวัสดุหลายชนิดเมือ่ ขนาดของวัสดุ ลดลงและถึงระดับนาโน เป็นไปได้ว่าวัสดุเดียวกันจะแสดงสมบัติที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง (เช่น จุดหลอมเหลวท่ี แตกต่างกัน การนาไฟฟ้า เป็นต้น) เน่ืองจากสสารในระดับนาโนน้ันไม่เป็นไปตามนิวโตเนียนฟิสิกส์ แต่เป็นไปตาม กลศาสตร์ควอนตัม กล่าวอีกนัยหน่ึงคือสมบัติของวัสดุข้ึนอยู่กับขนาด ซึ่งโดยทั่วไปสมบัติของสาร (ของแข็ง ของเหลว หรอื กา๊ ซ) จะเกีย่ วข้องกบั อะตอมและโมเลกุลที่ประกอบข้นึ เป็นสารและการเช่อื มต่อกัน (พันธะเคมี) โดย ขนาดไม่ได้เป็นปัจจัยสาคัญ แต่ในระดับนาโนพบว่าส่ิงต่างๆ เปลี่ยนไปอย่างมากเนื่องจากผลของควอนตัม ยกตัวอย่างเช่น ทองคา พบว่าสีของคอลลอยด์ของอนุภาคนาโนทองคาไม่เป็นสีทอง แต่มีสีแดงทับทิม เมื่ออยู่ใน ระดบั นาโนเมตร (รูปท่ี 3.1) รูปท่ี 3.1 สขี องอนภุ าคทองคาท่ีขนาดต่างกนั (ทมี่ า : https://ninithi.wordpress.com/nanoscale-why-size-matter/)

38 3.1 ฟสิ กิ ส์ทร่ี ะดับนาโน วัสดุนาโนมีขนาดใกล้เคียงกับอะตอมเดี่ยวและโมเลกุล เพื่ออธิบายพฤติกรรมของวัสดุนาโนจาเป็นต้องใช้ กลศาสตร์ควอนตัม กลศาสตร์ควอนตัมเป็นแบบจาลองทางวิทยาศาสตร์ที่พัฒนาข้ึนเพ่ืออธิบายการเคล่ือนท่ีและ พลงั งานของอะตอมและอิเล็กตรอน เนื่องจากวสั ดนุ าโนมีขนาดเลก็ มวลจึงมีขนาดเลก็ มาก แรงโน้มถ่วงจึงน้อยมาก แต่พบว่าแรงแม่เหลก็ ไฟฟา้ มีความสาคัญในการกาหนดพฤติกรรมของอะตอมและโมเลกุล สาหรับวัตถุท่ีมีมวลน้อย มาก เช่น อิเล็กตรอน พบว่าธรรมชาติของคล่ืนจะส่งผลเด่นชัด ดังน้ันอิเล็กตรอนจะแสดงพฤติกรรมของคล่ืนและ ตาแหน่งจะถกู แทนด้วยฟังกช์ ันคล่ืน (ความนา่ จะเป็น) หนึ่งในผลทตี่ ามมาคือปรากฏการณ์ทีเ่ รยี กว่า การลอดอุโมงค์ (Tunneling) รปู ท่ี 3.2 ปรากฏการณก์ ารลอดอโุ มงค์ (ทีม่ า : https://cosmosmagazine.com/physics/quantum-tunnelling-is-instantaneous-researchers- find) ฟสิ กิ ส์คลาสสิกระบวุ ่าร่างกายสามารถผา่ นสง่ิ กีดขวาง ก็ต่อเมื่อมพี ลงั งานเพียงพอที่จะกระโดดข้าม ดังนน้ั ใน ฟสิ ิกสค์ ลาสสิกพบว่าหากวัตถุมพี ลังงานตา่ กว่าทีต่ ้องการในการกระโดดข้ามพลงั งานของสง่ิ กดี ขวาง ความนา่ จะเป็น ในการค้นพบวัตถุในอีกด้านหนึ่งของส่ิงกีดขวางนั้นจะเป็นศูนย์ แต่ในทางฟิสิกส์ควอนตัมพบว่าอนุภาคท่ีมีพลังงาน น้อยกว่าที่ต้องใช้ในการกระโดดข้ามส่ิงกีดขวางมีความเป็นไปได้ท่ีจะถูกพบที่อีกด้านหนึ่งของส่ิงกีดขวาง เปรียบได้

39 กับจินตนาการว่าอนุภาคส่งผ่านไปยัง “อุโมงค์เสมือน” ผ่านสิ่งกีดขวาง (รูปท่ี 3.2) ซ่ึงการท่ีจะแสดงปรากฏการณ์ ลอดอุโมงค์ได้นั้นความหนาของสิ่งกีดขวาง (คือพลังงานศักย์) ต้องเท่ากับความยาวคลื่นของอนุภาค ด้วยเหตุนี้ ปรากฏการณ์นี้จึงถูกพบท่ีระดับนาโนเมตรเท่าน้ัน ดังนั้นการลอดอุโมงค์ของอิเล็กตรอน (หรือควอนตัม) จะเกิดข้ึน เม่ืออนุภาค (อิเล็กตรอน) ที่มีพลังงานจลน์ต่าสามารถดารงอยู่ในอีกด้านหนึ่งของสิ่งกีดขวางท่ีมีพลังงานสูงกว่า จึ ง เป็นการทา้ ทายกฎพื้นฐานของกลศาสตรแ์ บบดั้งเดมิ โดยการลอดอโุ มงค์คอื การแทรกซึมของอเิ ลก็ ตรอนเขา้ สูบ่ ริเวณ พลังงานต้องหา้ ม การลอดอุโมงค์เป็นปรากฏการณ์ควอนตัมพื้นฐานและเป็นพ้ืนฐานของเคร่ืองมือที่สาคัญมากสาหรับการ ถ่ายภาพพ้ืนผิวโครงสร้างนาโนท่ีเรียกว่า กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ (Scanning Tunneling Microscope; STM) อีกทั้งยังสามารถใช้เป็นเคร่ืองมือในการประดิษฐ์วัสดุนาโนได้อีกด้วย (โดยการเคล่ือนย้าย อะตอม) 3.2 ปจั จยั ทส่ี ่งผลต่อสมบตั ขิ องวัสดนุ าโน มีปัจจัยต่างๆมากมายท่ีมีบทบาทสาคัญในการกาหนดพฤติกรรมของอนุภาคนาโน โดยปัจจัยที่สาคัญมี ดงั ตอ่ ไปน้ี 3.2.1 การเพ่ิมอัตราส่วนพื้นผิวต่อปรมิ าตร รปู ที่ 3.3 ความสมั พนั ธ์ระหว่างขนาดอนภุ าคกบั สดั สว่ นจานวนอะตอมที่พ้ืนผวิ (เสน้ สนี า้ เงนิ ) และสดั ส่วนจานวน อะตอมภายในอนุภาค (เสน้ สีแดง) (ท่มี า : https://en.wikibooks.org/wiki/Introduction_to_Inorganic_Chemistry/Basic_Science_of_ Nanomaterials)

40 ตารางที่ 3.1 จานวนอะตอมในแตล่ ะช้นั และสัดส่วนจานวนอะตอมทีพ่ ืน้ ผิวของอนภุ าค Full shell clusters Total number of atoms Surface atoms (%) One shell 13 92 Two shells 55 76 Three shells 147 63 Four shells 309 52 Five shells 561 45 Seven shells 1415 35 (ที่มา : Phung, et al., 2009) หน่ึงในสมบัติที่แตกต่างของวัสดุนาโนคือพ้ืนท่ีผิวท่ีเพิ่มข้ึน อนุภาคนาโนมีอัตราส่วนระหว่างพื้นที่ผิวกับ ปริมาตรท่ีสูง ส่งผลให้มีสัดสว่ นของอะตอมที่พื้นผวิ เพ่ิมขึน้ โดยความสัมพนั ธ์ระหว่างสัดสว่ นจานวนอะตอมท่ีพน้ื ผิว เมื่อขนาดลดลงในระดับนาโนเมตรแสดงดังรูปท่ี 3.3 อนุภาคนาโนจึงมีสมบัติแตกต่างไปจากสมบัติของอนุภาคที่ เตรียมจากวสั ดุท่ีมีขนาดใหญก่ วา่ อนุภาคนาโนถูกสร้างขนึ้ จากกลมุ่ อะตอมเรียงตวั กันอยา่ งสมา่ เสมอเปน็ โครงสร้าง กลอ่ งลูกบาศก์แบบปดิ (Cubic close packed structure) หรือโครงสร้างรูปหกเหลีย่ มแบบปดิ (Hexagonal close

41 packed structure) ชนิดต่าง ๆ โดยท่ีโครงสร้างหน่ึงๆ อาจเกิดจากการก่อตัวรอบ ๆ แกนกลางของอะตอมหน่ึง โดยจานวนอะตอมในแต่ละชัน้ สามารถหาได้จาก 10m2+2 เม่อื m คอื จานวนชนั้ และสัดสว่ นจานวนอะตอมที่พน้ื ผิว แสดงได้ดังตารางท่ี 3.1 ซึ่งอัตราส่วนของพ้ืนท่ีผิวต่อปริมาตรและสัดส่วนของอะตอมที่พ้ืนผิวที่เพิ่มขึ้นนี้ ส่งผลให้อนุภาคนาโน เกดิ ปฏิกิรยิ าได้มากขน้ึ โดยจะมีความแขง็ แรง ทนต่อความรอ้ น และจดุ หลอมเหลวสูงขึ้นเม่ือขนาดอนุภาคลดลงนอ้ ย กว่า 200-300 อังสตอม ยกตัวอย่างเช่น อุณหภูมิหลอมเหลวของทองจะลดลงประมาณสองเท่าเม่ือขนาดอนุภาค ลดลงจาก 10 nm เปน็ 2 nm 3.2.2 การเคลอ่ื นทข่ี องโมเลกุลแบบสุ่ม (Random Molecular Motion) โมเลกุลจะมกี ารเคล่ือนท่ีเนื่องจากพลังงานจลนใ์ นตัวเอง สิ่งนี้เรียกว่าการเคลื่อนทีข่ องโมเลกลุ แบบสุ่มและ จะเคล่ือนท่ีอยู่เสมอ ซึ่งท่รี ะดบั ไมครอนการเคลอื่ นทนี่ ี้มคี ่าน้อยมากเม่อื เทียบกบั ขนาดของวัตถุ ดงั นัน้ จงึ ไม่มีอิทธพิ ล ต่อการเคล่ือนที่ของวัตถุ อย่างไรก็ตามในระดับนาโนการเคล่ือนที่เหล่าน้ีอาจมีขนาดเท่ากันกับขนาดของอนุภาค ดังน้ันจึงมีอิทธิพลสาคัญต่อพฤติกรรมของวัสดุในระดบั นาโน ตัวอย่างหนึ่งของการเคล่ือนทีแ่ บบสมุ่ คือการเคล่ือนท่ี แบบบราวเนยี น (Brownian motion) รูปท่ี 3.4 การเคล่ือนท่แี บบบราวเนยี น (ทีม่ า : http://quantumfreak.com/motion-of-molecules/) 3.2.3 การเคล่ือนที่แบบบราวเนยี น (Brownian Motion) การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (Brownian motion) เป็นการเคล่ือนที่แบบสุ่มของอนุภาคท่ีแขวนอยู่ใน ของเหลวหรือกา๊ ซ ทเ่ี กิดจากการชนกับอะตอมหรอื โมเลกุลอย่างรวดเรว็ ในกา๊ ซหรือของเหลว การเคลอื่ นทแี่ บบบราว เนียนเป็นปรากฏการณ์ท่ีสาคัญมากในการทานายพฤติกรรมของอนุภาคนาโน โดยระยะการเคล่ือนท่ีเฉลี่ยสามมิติ (∆x) ในการเคลอ่ื นท่ีแบบบราวเนยี นสามารถแสดงเป็นสมการได้ดงั น้ี ∆������ = √6������������∆������ (3.1)

42 โดยที่ ������������ คือ คา่ สมั ประสทิ ธ์กิ ารกระจายแบบบราวเนยี น คือ เวลา ∆������ และค่าสัมประสิทธิก์ ารกระจายแบบบราวเนยี น แสดงไดด้ ังสมการ ������������ = ������������/(3������������������������) (3.2) เม่ือ ������ คือ คา่ คงท่ีโบลซ์แมน (Boltzmann constant) คือ อุณหภูมสิ ัมบรู ณ์ ������ คือ ความหนืดของตัวกลาง คือ ขนาดอนุภาค ������ และ ������������ จากสมการที่ 3.1 และ 3.2 เป็นท่ีชัดเจนว่าการเคล่ือนทแ่ี บบบราวเนยี นเพ่ิมข้ึนเมื่อขนาดอนุภาคลดลง ดังน้ันอนุภาคนาโนจึงมีโอกาสสูงที่จะเข้าใกล้และปะทะกับอนุภาคนาโนอ่ืนๆ แต่อย่างไรก็ตามแรงดึงดูดวัลเดอร์ วาลส์ยังคงเกิดขึ้นได้ในอนุภาคนาโนเช่นกัน ด้วยเหตุน้ีการสร้างส่ิงกีดขวางพลังงานระหว่างอนุภาคนาโนจึงเป็น ส่งิ จาเปน็ เพื่อปอ้ งกันไมใ่ หเ้ กดิ การรวมตวั กันของอนุภาค 3.2.4 ทฤษฎีดีแอลวีโอ (DLVO Theory) รปู ที่ 3.5 ทฤษฎี DLVO (ทีม่ า : http://soft-matter.seas.harvard.edu/index.php/DLVO_theory)

43 ทฤษฎีดีแอลวีโอ (Derjaguin, Landau, Verwey and Overbeek Theory; DLVO) อธิบายถึงแรงระหว่าง ประจุพื้นผิวซึ่งมอี ันตรกิริยากับของเหลวตัวกลางและอธิบายการรวมตัวกนั ของอนุภาคท่ีกระจายตวั ในของเหลว ซึ่ง เป็นการรวมผลของแรงผลักทางไฟฟา้ สถติ และแรงดึงดูดวัลเดอร์วาลล์ เม่ือพิจารณาตามทฤษฎี DLVO พบว่าความ เสถียรในการกระจายตัวของคอลลอยด์จะขึ้นอยู่กับแรงสุทธิระหว่างแรงดึงดูดวัลเดอร์วาลล์ที่ทาหน้าที่ในการจับ อนุภาคเข้าด้วยกันและแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตท่ีป้องกันการรวมกันของอนุภาค โดยความแรงไอออนิกทส่ี ูงจะบีบอัด ชั้นพลังงานและลดขนาดของศักย์กีดขวางลง ดงั น้ันความนา่ จะเป็นในการเกิดอันตรกิรยิ าสุทธิจึงเกิดจากการดูดกัน ท้ังในช่วงส้ันและช่วงยาว ส่งผลให้เกิดการรวมตัวกันของอนุภาคนาโน แต่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์เจือจางกลุ่ม ประจทุ ี่ชดเชยประจุทีพ่ นื้ ผิวของอนุภาคนาโนจะอยู่ห่างจากพื้นผวิ ของอนภุ าคทาให้เกิดอันตรกริ ิยาเป็นแบบช่วงยาว เม่อื แรงดึงดูดวัลเดอร์วาลลอ์ ่อนแอลง แรงผลักทางไฟฟา้ สถิตจะมีอทิ ธิพลเหนอื กว่าและสง่ ผลให้เกดิ การกระจายของ อนุภาคนาโนทเ่ี สถียร 3.2.5 การกักขงั ควอนตมั (Quantum Confinement) วสั ดุระดับนาโนจะมมี ิติทางกายภาพอย่างน้อยหนึง่ มิตทิ ่ถี ูกจากดั ขนาดไว้ ซ่งึ เป็นการบีบบังคับให้อเิ ล็กตรอน ในวัสดุนาโนเคลื่อนที่ได้ในปริมาตรที่จากัดเท่านัน้ จึงส่งผลใหเ้ กิดปรากฏการณ์ทางควอนตัมท่ีเปน็ การจากัดบริเวณ ของอิเล็กตรอนไว้ (Quantum confinement) ซ่ึงปรากฏการณ์ดังกล่าวจะไม่เกิดขึ้นหรือเกิดขึ้นน้อยมากในวัสดุ ขนาดปกติ รปู ท่ี 3.6 การกกั ขงั ควอนตัมของวสั ดุสามมติ ิ สองมิติ หน่งึ มติ ิ และศนู ยม์ ิติ (ที่มา : Edvinsson, 2018) การเกิดผลของกลไกทางกลศาสตร์ควอนตัม เน่อื งจากขนาดของโครงสร้างอยู่ในระดับเดียวกนั กับความยาว คลื่นของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนท่ีอยู่ภายในโครงสร้างนาโนน้ีจึงถูกจากัดบริเวณการเคลื่อนท่ีไว้ (quantum

44 confinement) ซึง่ จะไม่สามารถเคล่ือนที่ไดอ้ ย่างอิสระเหมือนกับท่ีเกิดข้นึ ในโครงสรา้ งขนาดใหญ่ การถูกกกั ขังน้จี ึง ส่งผลให้เกิดระดับการส่งผ่านพลังงานที่ไม่ต่อเน่ือง ดังรูปท่ี 3.6 การกักขังควอนตัมส่งผลให้เกิดการแยกของ สเปคตรัมแถบพลังงานและเกิดความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะพลังงาน (Energy state) และช่องว่าง แถบพลงั งาน (Band gap) เพ่มิ ข้ึน ดงั รูปท่ี 3.7 ซึ่งสามารถควบคุมค่าระดบั พลังงานของอิเลก็ ตรอนภายในโครงสร้าง ให้แปรเปลี่ยนไปตามขนาดได้ โดยพบว่าโครงสร้างท่ีมีขนาดเล็กจะมีช่องว่างแถบพลังาน (Energy band gap) ระหว่างแถบการนา (Conduction band) กับแถบวาเลนซ์ (Valence band) ที่กว้างมากกว่าโครงสร้างที่มีขนาด ใหญ่ ด้วยเหตุน้ีช่องว่างพลังงาน (Band gap) จึงข้ึนอยู่กับขนาด ซึ่งส่งผลต่อการเปล่ียนแปลงสมบัติทางไฟฟ้าและ ทางแสงของวสั ดุ ดงั รปู ที่ 3.7 รปู ท่ี 3.7 ชอ่ งว่างแถบพลงั งาน (Band gap) ของวัสดุทม่ี ขี นาดตา่ งกนั ในระดบั นาโนเมตร (ที่มา : Rabouw & de Mello Donega, 2016) 3.2.6 ศักย์ซีตา้ และค่าพเี อช (Zeta Potential; ZP and pH) เม่ืออนภุ าคแขวนลอยในของเหลว สภาพแวดล้อมของอนภุ าคจะประกอบด้วยสองสว่ นได้แก่ บริเวณภายใน เรยี กวา่ ชั้นสเตริ ์น (Stern layer) เป็นบริเวณทไ่ี อออนถกู ยดึ เกาะไวอ้ ย่างแนน่ หนา และบริเวณการแพร่ภายนอกท่ีมี

45 การยดึ เกาะของไอออนน้อยกว่า ดังแสดงในรปู ท่ี 3.8 เมอื่ มีการเคลื่อนท่ขี องอนภุ าค ไอออนภายในขอบเขตจะ เคลื่อนทไ่ี ปด้วย ยกเวน้ ไอออนใด ๆ กต็ ามทอ่ี ยนู่ อกขอบเขต ขอบเขตนี้เรยี กวา่ ระนาบการเลอ่ื น (Slipping plane) ศกั ย์ไฟฟา้ บนพ้ืนผิวนีเ้ รยี กวา่ “ศักยซ์ ีตา้ ” โดยศกั ย์ซตี าทส่ี งู จะส่งผลใหเ้ กิดเสถียรภาพของอนภุ าคนาโนในการ กระจายตวั เนื่องจากแรงผลกั ระหวา่ งอนุภาค ในขณะท่ีเม่ือศักยซ์ ีตาตา่ จะนาไปสูก่ ารรวมตัว ตามกฎท่ัวไปแล้ว เสถียรภาพของศักยซ์ ีต้า (ZP) จะอยู่ในชว่ ง -30 mV > ZP > +30 mVโดยมีหน่วยเปน็ เปน็ มลิ ลโิ วลต์ รปู ท่ี 3.8 ศกั ย์ซีต้าของอนภุ าคทีม่ ปี ระจุพืน้ ผิวเป็นลบ (ทม่ี า : https://www.researchgate.net/publication/292539409) โดยค่าของศักย์ซตี า้ ZP สามารถเป็นไดท้ งั้ ค่าบวกหรอื ค่าลบ เมอ่ื สารละลายมไี อออนบวก (H+) หรือไออนลบ (OH-) มากข้ึน ค่า pH จะเข้ามามีบทบาทสาคัญในการรักษาศักย์ซีตาและความเสถียรของอนุภาคนาโน ด้วยเหตุนี้ ส่วนใหญจ่ ึงรายงานเป็นค่า pH ที่สอดคล้องกับศักย์ซีต้าที่วัด ซึ่งสามารถวัดศกั ย์ซีต้าได้โดยใช้หลักการของอเิ ล็กโตร โฟรีซิส (Electrophoresis) เม่ือให้สนามไฟฟ้ากับตัวอย่าง อนุภาคที่แขวนลอยอยู่จะเคล่ือนที่ไปท่ีขั้วไฟฟ้าตรงข้าม ดว้ ยความเร็วคา่ หน่ึงเรียกว่า ความคล่องตัวอเิ ลก็ โตรโฟรีซสิ ของอนุภาค (������������) จากน้ันจะใช้ความคล่องตัวอิเล็กโตร โฟรซี ิสนใ้ี นการหาค่าศกั ยซ์ ตี า้ ของอนภุ าคโดยใช้สมการของเฮนรี (Henry’s equation) ดังสมการ ������������ = 2������������������0������(������������) (3.4) 3 เมอ่ื ������������ คอื ค่าคงท่ไี ดอิเล็กทรกิ ของตัวกลางการกระจายตวั คอื คา่ คงทีไ่ ดอิเล็กทรกิ ของสญุ ญากาศ (8.854 x 10-12 m-3kg-1 s4A2) ������0

46  คือ ศกั ยซ์ ตี ้า  คอื ความหนดื ������(������������) คือ เฮนรีฟงั ชนั (Henry’s function) การหาค่าศกั ย์ซีต้าในตวั กลางของเหลวท่ีมีความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ปานกลาง จะใช้การประมาณแบบ “สโมลูชาวสกี” (Smoluchowski) ท่ีมีค่า ������(������������) เท่ากับ 1.5 น่ันคืออนุภาคที่ใหญ่กว่า 0.2 ไมครอน กระจายตัว ในอิเล็กโทรไลท์ที่มีความเข้มข้นของเกลือมากกว่า 10-3 โมลาร์ จะทาการคานวณศักย์ซีต้าจากความคล่องตัว แบบสโมลูชาวสกี (Smoluchowski) สาหรับอนุภาคขนาดเล็กในตวั กลางทมี่ คี งท่ีไดอเิ ล็กตริกต่าจะใช้การประมาณ แบบ “ฮักเคิล” (Huckel) ที่มีค่า ������(������������) เท่ากับ 1.0 โดยท่ัวไปการวัดท่ีไม่ใช่ของเหลวจะใช้การประมาณแบบ ฮักเคลิ (Huckel) 3.3 สมบัตขิ องวสั ดุที่ระดับนาโน นาโนวิทยาศาสตรส์ ง่ ผลต่อการออกแบบและการประดษิ ฐว์ สั ดุใหม่ๆที่มีสมบัติและการใชง้ านท่ีเปล่ยี นไปจาก เดิม รวมถึงการเพ่ิมสมบัติของพลาสติก เซรามิก สารเคลือบ คอมโพสิต เส้นใยและอื่น ๆ อีกมากมาย นาโน วิทยาศาสตร์ยังได้นาเสนอแนวคิดใหม่ในการออกแบบวัสดุ ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจโดยตรงจากวิธีการสร้างวัสดุ อินทรีย์และอนินทรียใ์ นธรรมชาติ ซง่ึ นับวา่ ธรรมชาตเิ ป็นแหลง่ กาเนดิ ของแรงบนั ดาลใจท่ยี อดเยี่ยมสาหรับวศิ วกรรม วสั ดุ 3.3.1 สมบัติพ้ืนผวิ (Surface Properties) รปู ท่ี 3.9 การเพิม่ ขนึ้ ของพื้นทผี่ วิ เม่อื แบ่งย่อยลูกบาศก์ปริมาตร 1 cm3 เปน็ ลกู บาศก์ 1 nm3 (ทมี่ า : https://www.nano.gov/nanotech-101/special)

47 ไม่ว่าจะพิจารณาวัสดุขนาดใหญ่หรือวัสดุนาโน สมบัติทางกายภาพและทางเคมีจะขึ้นอยู่กับสมบัติที่พื้นผิว พ้ืนผิวทาหน้าท่ีมากมาย เช่น ส่งพลังงานหรือสารเข้าออกผ่านรอยต่อผิว สามารถเร่ิมต้นหรือยุติปฏิกิริยาเคมี ยกตัวอย่างเชน่ ในกรณีของตัวเรง่ ปฏิกริ ิยา เป็นตน้ โดยการศกึ ษาวทิ ยาศาสตรท์ ่ีเก่ยี วขอ้ งกับสมบตั ิทางเคมี กายภาพ และชีวภาพของพื้นผิวน้ันจะเรียกว่า วิทยาศาสตร์พ้นื ผิว นอกจากน้ียังมีการใช้คาว่ารอยต่อผิว (Interface) เพื่อเน้น วา่ เป็นขอบเขตระหว่างสองเฟสคือระหว่างวัสดุและสภาพแวดล้อมโดยรอบ (ของเหลว ของแข็ง หรือก๊าซ) ซึ่งพบว่า หากวัสดุขนาดใหญถ่ ูกแบง่ ยอ่ ยเปน็ วัสดุนาโน ปริมาตรจะยังคงเทา่ เดมิ แต่พน้ื ทีผ่ วิ จะเพม่ิ ขน้ึ อย่างมาก แสดงดังรูปที่ 3.9 ผลท่ีตามมาคืออัตราส่วนของพ้ืนผิวต่อปริมาตรของวัสดุเม่ือเทียบกับวัสดุขนาดใหญ่จะเพิ่มข้ึน โดยอะตอมและ โมเลกุลท่ีอยู่ที่พ้ืนผิวหรือท่ีรอยต่อผิวจะแตกต่างจากอะตอมหรือโมเลกุลเดียวกันท่ีอยู่ภายในวัสดุ อะตอมและ โมเลกุลที่รอยต่อน้ันจะมีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาท่ีสูง เน่ืองจากอะตอมและโมเลกุลท่ีพื้นผิวนั้นไม่เสถียร และมีพลงั งานพ้นื ผวิ สูง รปู ท่ี 3.10 อตั ราส่วนของพื้นท่ผี ิวต่อปริมาตรของอนุภาคทีข่ นาดตา่ งกนั (ท่มี า : Sonstrom & Baumer, 2011) ในวิทยาศาสตร์พื้นผิวนั้น สมบัติต่างๆ เช่น การเร่งปฏิกิริยา ความต้านทานไฟฟ้า การยึดเกาะ การกักเก็บ กา๊ ซ และปฏิกิรยิ าทางเคมี จะขน้ึ อยูก่ บั ลกั ษณะของรอยต่อผวิ (Interface) โดยวสั ดนุ าโนมสี ดั สว่ นของอะตอมทอี่ ย่ทู ่ี พ้ืนผิวมาก ซึ่งมีผลกระทบอยา่ งมากต่อปฏิกิรยิ าที่เกิดข้ึนทีพ่ ้ืนผิว เชน่ การเร่งปฏิกริ ิยา การตรวจจับ และการดูดซับ ทางกายภาพทีผ่ วิ ของวสั ดุ นอกจากน้ีเมื่อให้ปริมาตรเท่ากัน พื้นที่ผิวยังขึ้นอยู่กับรูปร่างของวัสดุอีกด้วย ตัวอย่างเช่น ทรงกลมและ ลูกบาศก์ท่ีมีปริมาตรเท่ากัน พบว่าลูกบาศก์จะมีพื้นท่ีผิวใหญ่กว่าทรงกลม ด้วยเหตุนี้ในด้านนาโนศาสตร์น้ันไม่ เพยี งแตข่ นาดของวัสดุนาโนเทา่ นัน้ ท่มี คี วามสาคัญ แตย่ งั มีผลของรปู รา่ งอกี ด้วย 3.3.2 สมบัตทิ างความรอ้ น (Thermal Properties) จากความจริงท่ีวา่ ในวสั ดุนาโนน้ันอะตอมส่วนใหญ่จะอยู่ทผ่ี วิ ซง่ึ มผี ลตอ่ สมบตั ทิ างกายภาพบางอยา่ ง เช่น จุด หลอมเหลว โดยวัสดชุ นิดเดยี วกันพบว่าจุดหลอมเหลวจะลดลงหากมีขนาดระดับนาโน เนอ่ื งจากอะตอมทพี่ นื้ ผวิ เกิด การเคล่ือนย้ายไดง้ า่ ยกวา่ อะตอมภายใน ดังน้นั พลงั งานที่ตอ้ งใช้ในการเอาชนะแรงระหวา่ งโมเลกุลท่ที าใหอ้ ะตอมอยู่ กับท่ีน้ันจะน้อยลง จุดหลอมเหลวจึงต่า การลดลงของขนาดอนุภาคนาโน ส่งผลให้พื้นท่ีผิวของอะตอมเพ่ิมข้ึน ซึ่ง สง่ ผลกระทบต่อสมบตั ิทางฟิสิกสท์ ่เี กย่ี วข้องกับอณุ หภูมกิ ารหลอมเหลวของอนุภาค ดังแสดงในรูปที่ 3.11

48 รูปที่ 3.11 ความสัมพนั ธร์ ะหวา่ งขนาดของอนภุ าคกับจุดหลอมเหลวของอนภุ าคทอง (ทีม่ า : Minelli, 2004) 3.3.3 สมบัติเชงิ กล (Mechanical Properties) สมบตั ิเชงิ กลที่มีความสาคญั อยางมากคือ ความแข็งแรง (strength) ความออนน่มิ (ductility) ความเหนียว (toughness) ความตานทาน (resilience) และความแข็ง (hardness) สาหรับวัสดุจาพวกโลหะและเซรามิกท่ีมี ขนาดเกรน (Grain size) ในระดบั นาโนเมตรจะมีความแขง็ แรงและความทนทานต่อการแตกหักสงู มากกวา่ วัสดชุ นิด เดียวกนั ทมี่ ีขนาดเกรนในระดับไมโครเมตรหรือในระดบั ทีใ่ หญก่ วา่ เชน่ เดียวกบั โลหะทีม่ โี ครงสร้างผลกึ ในระดบั นาโน จะมีความแข็งแรงและความแข็งสูงกว่าโลหะท่ีมีผลึกขนาดใหญ่ มีความจุความร้อนจาเพาะมากข้ึน และสามารถ ขยายตัวได้มากขึ้นกว่าเดิม ตัวอย่างเช่น โลหะทองแดง (Copper) ท่ีมีขนาดเกรนในระดบั นาโนเมตรจะมีความแข็ง (Hardness) สงู กว่าทองแดงปกติมากถึง 5 เท่า หรอื อะลมู ิเนียม (Aluminium) ทม่ี ีอนภุ าคระดับนาโนเมตรส่งผลให้ โครงสรา้ งของอะลมู ิเนียมมีความเหนียว และแขง็ แรงมากขน้ึ กวา่ อะลูมเิ นยี มขนาดปกติ นอกจากนี้ยังพบว่าวัสดุที่มีขนาดเกรนในระดับนาโนเมตรยังมีลกั ษณะพเิ ศษคือ สามารถดึงยืดหรือทาให้ผิด รูปจากเดิมได้อย่างมากเมื่อเทียบกับวัสดุท่มี ีเกรนขนาดใหญ่ เช่น สามารถขยายจาก 100 เปอร์เซน็ ไปจนถึง 1000 เปอร์เซ็น เรียกลักษณะพิเศษน้ีว่า สภาพพลาสติกย่ิงยวด (Superplastics) คือความสามารถในการเปลี่ยนรูปของ วัสดุแบบพลาสติกกอนท่ีวัสดุจะเกิดการแตกหัก และทาการวัดปริมาณเปนเปอรเซ็นตจากการยืดตัวของวัสดุ (Elongation) โดยพื้นผิวของวสั ดุทถ่ี ูกยดื หรอื ทาให้ผิดรูปจะมีความเครียด (Strain) เพม่ิ ขึน้ แสดงดงั เสนกราฟความ เคน–ความเครียด (Stress-Strain Curve) (รูปท่ี 3.12) พบว่าหากความเคน (Stress) มีคาสูงเกินกว่าความสัมพันธ

49 เชิงเสนจะเกิดการเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก (Plastic deformation) ซึ่งเปนการเปลี่ยนรูปแบบถาวร คาความเคน (Stress) ท่ีจุดน้ีจะบ่งบอกถึงขีดจากัดความยืดหยุ่น (Elastic limit) และเม่ือเพ่ิมความเค้นเพียงเล็กน้อยค่า ความเครียดจะเพม่ิ ขึ้นอยา่ งมาก และพบว่าพ้ืนทีห่ น้าตัดของวสั ดุจะลดลงเม่ือทาการดงึ ยืดอยา่ งต่อเน่อื งก่อนท่ีจะเกิด การแตกหักหรอื ฉีกขาด รูปที่ 3.12 กราฟความเคน–ความเครียด (Stress-Strain Curve) (ที่มา : https://www.toppr.com/guides/physics/mechanical-properties-of-solids/hookes-law-and- stress-strain-curve/) วัสดนุ าโนบางชนดิ มสี มบตั เิ ชิงกลทโี่ ดดเด่นซ่ึงเปน็ ผลมาจากโครงสร้าง หน่ึงในวัสดุทม่ี ีสมบัติเชิงกลท่ีโดดเด่น คือท่อนาโนคาร์บอน (Carbon nanotubes) ซ่ึงเป็นท่อขนาดเล็กที่มีโครงสร้างแบบรังผ้ึงคล้ายกันกับกราไฟท์ (Graphite) แต่มีสมบัติที่แตกต่างเมื่อเทียบกับกราไฟท์ โดยพบว่าท่อนาโนคาร์บอนนั้นแข็งแรงกว่าเหล็ก 100 เท่า แต่มีน้าหนักเบากว่าเหล็กหกเท่า มีทั้งในรูปท่ีเป็นผนังเดี่ยว (Single wall) หรือหลายผนัง (Multi wall) ซึ่งพบว่า ภายใต้อุณหภูมิสูง ท่อนาโนคาร์บอนจะแสดงความเป็นพลาสติกแบบย่ิงยวด โดยพบว่าท่อนาโนคาร์บอนท่ีมีความ ยาวเร่ิมต้น 24 นาโนเมตร เส้นผ่านศูนย์กลาง 12 นาโนเมตร สามารถดึงยืดได้ถึง 91 นาโนเมตร และมีเส้นผ่าน ศูนย์กลางลดลงเหลือเพยี ง 0.8 นาโนเมตร ซึ่งพบวา่ สามารถยดื ขยายไดม้ ากถงึ 280 เปอร์เซ็นต์

50 3.3.4 สมบตั ิทางไฟฟ้า (Electrical Properties) วสั ดุมีสามประเภทตามสมบตั ทิ างไฟฟ้า ไดแ้ ก่ ตัวนา กึง่ ตวั นา และ ฉนวน โดยความสามารถในการเติมแถบ การนาด้วยอิเล็กตรอนและค่าพลังงานของช่องว่างแถบพลังงานจะเป็นตัวกาหนดว่าวัสดุเป็นตัวนา ก่ึงตัวนา หรือ ฉนวน การแยกพลังงานระหว่างแถบวาเลนซ์ (Valence band) กับแถบการนา (Conduction band) นั้นเรียกว่า ชอ่ งวา่ งแถบพลังงาน (Energy gap) ในวัสดตุ วั นา เช่น โลหะ พบวา่ แถบวาเลนซ์และแถบตวั นาจะซอ้ นทบั กนั ดงั นั้น ค่าของช่องว่างแถบพลังงาน (Energy gap) จึงมีขนาดเล็ก พลังงานความร้อนเพียงพอท่ีจะกระตุ้นให้อิเล็กตรอน เคล่ือนท่ไี ปยังแถบการนาได้ ส่วนในสารกึ่งตัวนานน้ั ช่องว่างแถบพลังงานมีค่าเพียง 2-3 eV หากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้มี ค่าเกินพลังงานของช่องว่างแถบพลังาน อิเล็กตรอนจะกระโดดจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบการนาได้ โดยจะสร้างคู่ ของอิเล็กตรอนท่ีเรียกว่า เอ็กซิตอน (Excitons) สาหรับฉนวนนั้นจะมีช่องว่างแถบพลังงานขนาดใหญ่ท่ีต้องการ แรงดันไฟฟ้าจานวนมหาศาลเพือ่ เอาชนะขดี ตา่ สุดของชอ่ งวา่ งแถบพลังงาน วสั ดุเหล่าน้ีจึงไมน่ าไฟฟ้า (รปู ที่ 3.13) รปู ท่ี 3.13 ช่องว่างแถบพลงั งานของวัสดุตวั นา กงึ่ ตัวนา และฉนวน (ท่มี า : https://energyeducation.ca/encyclopedia/Band_gap) โดยพบว่าขนาดและการจัดเรยี งตัวของอนุภาคในโครงสรา้ ง มผี ลต่อสภาพการนาไฟฟ้าของโลหะ เช่น โลหะ ทม่ี ีขนาดใหญ่จะมีแถบการนา (Conduction band) ท่ีเกดิ จากการจดั เรยี งระดับช้ันพลังงานท่ีมาประกอบกันอย่าง ตอ่ เนอ่ื งแตเ่ มอื่ โลหะมขี นาดอนุภาคเล็กลงจะส่งผลให้ฟงั ก์ชันคล่นื (Wave function) ของอิเล็กตรอนวงนอกสดุ เริ่ม ถูกกักขงั อยู่ในบรเิ วณท่ีจากัด ซึ่งจะสง่ ผลให้ระดับชน้ั พลังงานต่างๆ ถกู แยกออกเปน็ ชั้นเดี่ยวๆ อย่างชัดเจนคล้ายกับ ระดบั ชน้ั พลังงานของอะตอมเด่ียว ดังรูปท่ี 3.14 จงึ ส่งผลให้สมบตั ิทางไฟฟา้ ของโลหะมีการเปล่ยี นแปลง การกักขังควอนตัมส่งผลให้พลังงานของช่องว่างแถบพลังงานเพิ่มข้ึนดังแสดงในรูปท่ี 3.14 โดยพบว่าเมื่อ อนุภาคมีขนาดที่เล็กลงอย่างมากการทับซ้อนกันของแถบพลังงานในโลหะจะหายไปและกลายเป็นช่องว่างของ แถบพลังงาน ด้วยเหตุนี้โลหะบางชนิดจึงกลายเป็นวัสดุก่ึงตัวนาเมื่อขนาดลดลง นอกจากน้ียังพบว่าวัสดุนาโนบาง ชนดิ มีสมบัติทางไฟฟา้ ท่โี ดดเดน่ โดยสมบตั ิทางไฟฟา้ จะสัมพันธ์กับโครงสร้างทเี่ ป็นเอกลักษณ์ ตัวอยา่ งเช่น ทอ่ นาโน คาร์บอนสามารถเป็นได้ท้ังตัวนาหรือก่ึงตัวนาซ่ึงข้ึนอยู่กับโครงสร้างระดับนาโน อีกตัวอย่างหนึ่งคือตัวเก็บประจุ

51 ยิ่งยวด (Supercapacitors) ที่มีโครงสร้างระดับนาโนพบว่าเป็นวัสดุท่ีไม่มีความต้านทานและไม่เป็นไปตามกฎของ โอห์ม รูปท่ี 3.14 การแยกระดบั ชัน้ พลังงานท่ีขนาดอนุภาคต่างกนั (ทีม่ า : Akkerman, 2019) 3.3.5 สมบตั ิทางแสง (Optical properties) วัสดุนาโนบางชนิดแสดงสมบัตทิ างแสงทแ่ี ตกต่างกนั อย่างมาก เชน่ สี และความโปร่งใส ในส่วนนีจ้ ะกล่าวถึง เหตผุ ลของพฤติกรรมและตัวอย่างบางสว่ น สขี องวัสดุเป็นอนั ตรกิริยาระหวา่ งแสงและวัตถุ หากวสั ดดุ ูดซับแสงทคี่ วามยาวคล่ืนหน่ึงผู้สังเกตการณ์จะไม่ เห็นสีเหล่าน้ีในแสงสะทอ้ น จะมีเพยี งความยาวคลื่นแสงที่สะท้อนกลับทก่ี ระทบดวงตาของเราเท่านั้นและส่ิงนี้ทาให้ วัตถุปรากฏเป็นสีทแ่ี น่นอน ตัวอย่างเช่น ใบไม้ปรากฏเป็นสีเขียวเน่ืองจากคลอโรฟิลล์ซึง่ เปน็ รงควตั ถุดดู ซบั สฟี า้ และ สีแดงของสเปกตรัมและสะทอ้ นสีเขียว โดยทวั่ ไป (I) แสงตกกระทบบนวัสดจุ ะสามารถส่องผา่ น (T) ดูดซับ (A) หรือสะทอ้ น (R): I=T+A+R เมื่อขนาดของวัสดุลดลงการกระเจิง (S) ของแสงสามารถทาให้เกิดสี (หรือความโปร่งใส) ได้ โดยแต่ละ กระบวนการสามารถสรุปได้ดังน้ี การสะท้อน (Reflection; R) เกิดข้ึนเม่ือแสงส่องไปท่ีพ้ืนผิวที่เรียบและคลื่นตกกระทบถูกส่งกลับไปยัง ตัวกลางเดิม โดยคลืน่ สะทอ้ นจะทามุมเชน่ เดียวกับคล่นื ตกกระทบ การดูดกลืน (Absorption; A) เป็นกระบวนการที่เก่ียวข้องกับการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ระดับพลังงาน ของสารจะเป็นตัวกาหนดความยาวคล่ืนของแสงท่ีสามารถดูดซับได้ ซ่ึงเป็นปรากฏการณ์ทางโมเลกุลที่ข้ึนอยู่กับ เอกลักษณท์ างเคมีและโครงสร้างของสาร (ไม่ใชข่ นาดของโมเลกุลหรอื กลุ่มอนภุ าค)

52 การสอ่ งผา่ น (Transmission; T) คือความสามารถของแสงในการส่องผ่านวัสดุ การส่องผ่านของแสงเป็น สงิ่ ทหี่ ลงเหลือหลงั จากการสะท้อน การกระเจิง และการดดู กลนื แสงทเ่ี กดิ ข้ึน การกระเจงิ (Scattering; S) เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขน้ึ เมอ่ื รังสเี ข้าปะทะกับโครงสร้างท่ีมีขนาดเล็กลงเม่ือ เทียบกับความยาวคล่ืนท่ีตกกระทบ ดังน้ันจึงเป็นกระบวนการทางกายภาพที่ขึ้นอยู่กับขนาดของกลุ่มอนุภาค ดัชนี การหักเหของกลุ่มอนุภาคและดัชนีการหักเหของสารแขวนลอยเป็นเพียงอันตรกิริยาทางกายภาพเท่าน้ัน ไม่มีการ เปลี่ยนแปลงพลังงานเกิดข้ึนในระหว่างการกระเจิง (เม่ือเทียบกับการดูดกลืน) ความยาวคล่ืนของแสงที่เข้ามาและ แสงทส่ี ่งออกจะเท่าเดมิ รปู ที่ 3.15 ผลของการกักขังควอนตมั ทีม่ ีต่อสขี องวสั ดเุ ม่อื ขนาดลดลง (ที่มา : Jagtap, et al., 2019) หนงึ่ ในสมบัตทิ โี่ ดดเด่นของอนุภาคนาโนของโลหะโดยทั่วไปคือสมบัติทางแสง ซงึ่ เป็นผลมาจากปรากฏการณ์ ที่เรียกว่า “การสั่นพ้องพลาสมอนบนพื้นผิว” (Localised Surface Plasmon Resonance; LSPR) โดยท่ัวไปเมื่อ แสงกระทบกับพื้นผิวโลหะ (ขนาดใดก็ได)้ คลืน่ แสงบางสว่ นจะแพร่กระจายไปตามพื้นผิวโลหะทาให้เกดิ พลาสมอน

53 ผิว (กลุ่มของอเิ ล็กตรอนทแ่ี พรก่ ระจายในทิศทางขนานกับรอยต่อของโลหะกบั ฉนวน หรือโลหะกบั สญุ ญากาศ) ซ่ึงใน วัสดุทั่วไปอิเล็กตรอนจะสามารถเคล่ือนท่ีได้อย่างอิสระในวัสดุ แต่ในกรณีของอนุภาคนาโน พลาสมอนพน้ื ผิวจะถูก จากัด ดังน้ันจึงเกิดการแกว่งไปมาในพ้ืนที่ขนาดเล็ก ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “การสั่นพ้องพลาสมอนบนพื้นผิว” (localised surface plasmon resonance; LSPR) เมื่อความถ่ีของการแกว่งนี้เท่ากับบความถ่ีของแสงตกกระทบ พลาสมอนจะเกดิ การสั่นพ้องกบั แสงตกกระทบ ซึ่งพลังงาน LSPR นั้นมีความสัมพนั ธ์กบั ความเปน็ ฉนวนวัสดแุ ละสภาพแวดล้อม รวมถงึ รปู รา่ งและขนาดของ อนุภาคนาโน ซ่ึงหมายความวา่ หากลแิ กนด์ เช่น โปรตีนยดึ เกาะกับพื้นผวิ ของอนุภาคนาโนโลหะ พลังงาน LSPR จะ เปลี่ยนไป ในทานองเดียวกันผลของ LSPR น้ันยังไวต่อการเปล่ียนแปลงอ่ืน ๆ เช่น ระยะห่างระหว่างอนุภาคนาโน ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการใช้สารลดแรงตึงผิวหรือไอออน ปรากฏการณ์ LSPR นั้นไม่เพียงแต่จะพบได้ใน อนุภาคนาโนของโลหะเทา่ นัน้ แตย่ งั พบได้ในแหวนนาโน (Nanorings) ฟลิ ม์ โลหะ และโครงสรา้ งนาโนอ่ืน ๆ หน่ึงในผลที่ตามมาของปรากฏการณ์ LSPR ในอนุภาคนาโนโลหะคือการดูดซับแสงในชว่ งท่ีตามองเห็นได้ดี มากเน่ืองจากการสั่นพ้องของพลาสม่า ซ่ึงเป็นผลให้คอลลอยด์ของอนุภาคนาโนโลหะ เช่น ทองหรือเงินสามารถ แสดงสที ่ีแตกต่างไปจากสีปกติในรูปแบบบลั ก์ เช่น สีแดง สมี ว่ ง หรือสีส้ม ซึง่ ข้ึนอยกู่ ับรูปร่าง ขนาด และสงิ่ แวดลอ้ ม รอบขา้ งของอนภุ าคนาโน ตัวอยา่ งแสดงในรปู ท่ี 3.15 โดยการเพ่ิมขึ้นของช่องวา่ งพลังงานเน่ืองจากการกกั ขังควอนตัมเมื่อขนาดลดลงส่งผลให้ต้องใชพ้ ลังงานมาก ข้ึนเพ่ือข้ามช่องว่างแถบพลังงาน (Energy band gap) ซึ่งพลังงานท่ีสูงข้ึนหมายถึงความยาวคล่ืนท่ีส้ันลง ดังน้ัน ความยาวคลื่นของแสงฟลูออเรสเซนต์ท่ีปล่อยออกมาจากวัสดุขนาดนาโนจะสูงข้ึน ดังน้ันจึงสามา รถทาการ ปรับเปลี่ยนสมบัติการดูดกลืนแสงและการปลดปล่อยแสงของวัสดุกึ่งตัวนาขนาดนาโนได้โดยการควบคุมขนาดของ ผลึก ด้วยเหตุนีว้ ัสดุชนดิ เดียวกนั เม่ือมขี นาดตา่ งกนั จะปลดปล่อยสีทต่ี า่ งกัน (รูปที่ 3.16) ปจั จุบันมีการใช้จดุ ควอนตมั (Quantum dots; QDs) แทนสีย้อมทั่วไปในกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซแ์ ละในวิธีการอน่ื ท่ีใช้สีย้อม (เช่น เซลล์ แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง) นอกจากนีย้ งั มกี ารศึกษา QD เปน็ แหลง่ กาเนดิ แสงทางเลอื กอีกดว้ ย รูปที่ 3.16 การแสดงสขี องอนุภาคเงนิ ทมี่ ีรูปร่างและขนาดตา่ งกนั (ทมี่ า : https://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/technology-spotlights/silver- nanomaterials.html)

54 3.3.6 สมบตั ิแม่เหลก็ (Magnetic Properties) สมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุขึ้นอยู่กับโครงสร้างของวัสดุและลักษณะการจัดเรียงตัวของอะตอมของธาตุที่ ประกอบกันข้ึนเป็นวัสดุ สารที่มีสภาพเป็นแม่เหล็กเป็นผลมาจากสปินภายนอกหรือโมเมนตัมเชิงมุม (Angular momentum) ท่ีเกิดจากการเคล่ือนท่รี อบนิวเคลียสของอิเล็กตรอน และสปนิ ภายใน ท่ีเกดิ จากการหมุนรอบตวั เอง ของอิเล็กตรอน โดยอิเล็กตรอนจะมีการสปินเป็นแบบขึ้นหรือลงเท่าน้ัน จึงทาให้อิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นโมเมนต์ แม่เหล็กขั้วคู่ (Magnetic dipole moment) ขนาดเลก็ โดยสารทมี่ สี ภาพเปน็ แมเ่ หล็กเกดิ จากการทอี่ ะตอมของสาร มีจานวนอเิ ล็กตรอนกลุ่มที่มสี ปนิ ขึ้น (Spin up) ไม่เทา่ กับกล่มุ ท่ีมีสปนิ ลง (Spin down) สง่ ผลใหค้ ่าโมเมนตัมเชงิ มุม หรือโมเมนต์แม่เหล็ก (Magnetic moment) มีค่าไม่เป็นศูนย์ซ่ึงจะเกิดขึ้นได้เฉพาะในกรณีท่ีอะตอมมีจานวน อิเล็กตรอนไม่เตม็ ช้ันพลังงานย่อยเท่านั้น และเมื่อสสารและวัสดุต่างๆ มีขนาดโครงสร้างอยใู่ นระดับนาโนเมตร จะมี สมบตั ทิ างแมเ่ หลก็ แตกตา่ งออกไปจากวสั ดุขนาดใหญ่ซ่ึงเปน็ ผลมาจากสมบัติทางควอนตัมทเี่ กดิ ขึน้ โมเมนตแมเหล็กของอะตอมเหล็กมีทิศทางการวางตัวเฉพาะตัว โดยจะช้ีตามหัวลูกศรไปทางทศิ เหนือ หาก โมเมนตแมเหล็กมีทิศทางไมเปนระเบียบเมื่อเปรียบเทียบกับโมเมนตอ่ืน ๆ โมเมนตแมเหล็กสุทธิของผลึกนั้นจะเป นศูนยซึ่งบงบอกวาอยูในสถานะพาราแมกเนติก (Paramagnetic state) ดังรูปท่ี 3.17(ก) หากใสสนามแมเหล็ก กระแสตรง (DC magnetic field) ลงบนอะตอมเหล็กนี้จะส่งผลใหโมเมนตบางตัววางตัวในแนวสนามแมเหล็กได้ และทาใหเกดิ โมเมนตสุทธิจานวนนอย ๆ ในผลึกท่ีเปนเฟอรโรแมกเนติก (Ferromagnetic crystal) โมเมนตแมเหล็กทั้งหมดจะมีทิศทางไปทาง เดียวกัน ดังรูปที่ 3.17(ข) แมวาจะไมมีอิทธิพลจากสนามแมเหล็กกระแสตรงก็ตาม ดังน้ันผลกึ ท้ังหมดมีโมเมนตแม เหล็กแบบเดียว และมีพฤติกรรมเหมือนแทงแมเหล็กอันหน่ึงท่ีใหสนามแมเหล็กได สาหรับแมเหล็กแอนติเฟอรโร แมกเนติก (Antiferromagnetic) โมเมนตแมเหลก็ จะมีทิศทางตรงกันขาม ดังรูปท่ี 3.17(ค) สง่ ผลใหผลึกไมมโี มเมนต แมเหล็กสุทธิ แตหากผลึกน้ันประกอบดวยอะตอม 2 ชนิด แตละชนิดมีโมเมนตแมเหลก็ ทแ่ี ตกตางกัน ซึง่ แสดงดวย ความยาวของลูกศรท่ีแตกต างกัน ดังรูปท่ี 3.17(ง) จะเรียกลักษณะแบบน้ีว า สถานะเฟอร ริแมกเนติก (Ferrimagnetic) ดงั นัน้ ผลึกนี้จะมีโมเมนตแมเหลก็ สุทธแิ ละมีพฤติกรรมเหมือนแท่งแมเหลก็ รูปที่ 3.17 แบบจาลองโมเมนต์แมเ่ หล็กของวสั ดุ (ก) พาราแมกเนตกิ (ข) เฟอโรแมกเนติก (ค) แอนตเิ ฟอโรแมกเนตกิ (ง) เฟอรแิ มกเนตกิ (ทม่ี า : Bloemen, M., 2015)

55 สมบัติทางแมเ่ หล็กของแมเ่ หลก็ ถูกอธบิ ายโดยกราฟเส้นโค้งของสนามแม่เหลก็ หรอื เรียกว่า วงวนฮิสเทอรซี ิส (Hysteresis loop) โดยทั่วไปแล้วกราฟเส้นโค้งสนามแม่เหล็กของวสั ดุเฟอรโรแมกเนตกิ จะเป็นการพลอตระหว่าง สนามแม่เหล็กรวมกบั สนามไฟฟ้า (DC) ที่ใหด้ ้วยความเข้ม (H) ดังแสดงในรูปที่ 3.18 เร่ิมแรกเม่ือสนามแม่เหล็ก (H) เพม่ิ ขึ้น ความเป็นแมเ่ หล็ก (M) จะเพิ่มขึ้นจนกว่าจะถึงจุดอม่ิ ตัว (Ms) เม่อื H ลดลงจากจุดอ่มิ ตัว M จะไม่ลดลงไปเป็นคา่ เดยี วกับเรม่ิ ตน้ แตจ่ ะสงู กว่าเมือ่ สนามลดลง เมื่อสนามทีใ่ ช้ H ถูกส่งกลับ เป็นศูนย์แม่เหล็กจะยังคงมีสนามแม่เหล็กเหลืออยู่ เรียกว่า สนามแม่เหล็กคงค้าง (Mr) โดยการที่จะนาเอา สนามแม่เหล็กท่เี หลืออยอู่ อกน้นั ตอ้ งใช้สนามในทิศทางตรงกนั ขา้ มกบั สนามทใี่ ช้ครั้งแรก สนามน้ีเรียกวา่ สนามบงั คับ (Hc) การจัดโครงสร้างนาโนของวัสดุแม่เหล็กสามารถใช้ในการออกแบบเส้นโค้งสนามแม่เหล็กของวัสดุได้ โดยทว่ั ไปพฤติกรรมแม่เหลก็ ของวสั ดุจะข้นึ อยกู่ ับโครงสรา้ งของวัสดุและอณุ หภมู ิ ขนาดทว่ั ไปของโดเมนแม่เหล็กจะ อยู่ที่ประมาณ 1 µm เม่ือขนาดของแม่เหล็กลดลงจานวนอะตอมที่พ้ืนผิวจะเพ่ิมขึ้น ปรากฏการณ์ท่ีพื้นผิวจะมี ความสาคัญอย่างมาก และเกิดผลของกลศาสตร์ควอนตัมข้ึน เมื่อขนาดของโดเมนเหล่านี้อยู่ในระดับนาโน วัสดุจะ แสดงสมบัติใหม่เน่ืองจากการกักขังควอนตัม ตัวอย่างเช่น ปรากฏการณ์สนามแม่เหล็กขนาดใหญ่ ( Giant magnetoresistance effect; GMR) ซึง่ เป็นผลของนาโนพ้ืนฐานทถ่ี กู นาไปใช้ในอุปกรณจ์ ดั เกบ็ ข้อมลู สมัยใหม่ รูปที่ 3.18 วงวนฮสิ เทอรีซสิ ของวสั ดแุ มเ่ หลก็ (ทม่ี า : https://mappingignorance.org/2014/03/05/superparamagnetic-nanoparticles-and-the- separation-problem/) โดยพบว่าสมบัตแิ ม่เหล็กของวัสดนุ าโนน้นั มีความแตกต่างจากวัสดุขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น Pd Na K และ Rh ขนาดไมครอนนั้นมีสมบัติเป็นพาราแมกเนติก (Paramagnetic) แต่เม่ืออยู่ในระดับนาโนจะมีสมบัติเป็นเฟอโร แมกเนติก (Ferromagnetic) หรอื เป็นเฟอโรอิเลก็ ทริกแบบย่งิ ยวด (Superparamagnetism) เมื่อมขี นาดเลก็ ลง

56 จากการศึกษาวัสดุผสมนาโน Fe69Ni9Co2 ท่ีมีขนาดเกรน 10 -15 นาโนเมตร พบว่าเป็นวัสดุที่มีโมเมนต์ แมเ่ หล็กที่เป็นโดเมนขนาดเกรนเดยี ว และแทบจะไมแ่ สดงวงวนฮสี เทอรซี สี เลยแม้ว่าอุณหภมู จิ ะเปล่ยี นแปลงอยา่ งไร ก็ตาม เรยี กวสั ดุนว้ี า่ พาราแมกเนติกยิ่งยวด (Superparamagnetic) ดังรูปท่ี 3.19 รูปที่ 3.19 แบบจาลองโมเมนตแ์ มเ่ หล็กของวัสดุพาราแมกเนติกย่ิงยวด (ทมี่ า : Bloemen, 2015) 3.3.7 สมบัติทางชวี ภาพ (Biological Properties) วัสดุธรรมชาติไม่ว่าจะเป็นวัสดุอินทรีย์และอนินทรีย์พบว่ามีการจัดวางโมเลกุลอย่างเป็นระเบียบได้ด้วย ตนเอง (Molecular self-assembly) ในกระบวนการทางชีววทิ ยาตามธรรมชาตินั้นโมเลกลุ สามารถจดั ระเบยี บเพ่ือ สร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนด้วยความแม่นยาในระดับนาโนได้ ตัวอย่างเช่น การก่อตัวของดีเอ็นเอเกลียวคู่ ( DNA double helix) หรือการกอ่ ตัวของเซลล์เมมเบรน (Membrane cells) จากฟอสโฟไลปิด (Phospholipids) ในการ จัดระเบียบตนเองนั้น หน่วยย่อยจะจัดระเบียบตัวเองและรวมตัวเป็นโครงสร้างที่เสถียรผ่านอันตรกิริยาแบบไม่มี พนั ธะโควาเลนต์ กระบวนการน้เี กิดขึ้นโดยการรวมตัวกันของหนว่ ยย่อยและรวมเป็นโครงสร้างสุดท้ายโดยการปรับ สมดลุ ใหอ้ ยใู่ นรูปของพลังงานทตี่ ่าทสี่ ุด ในหอ้ งปฏิบัติการนักวทิ ยาศาสตรส์ ามารถใช้ประโยชน์จากการจัดระเบยี บตวั เองน้ใี นการเขยี นโปรแกรมสรา้ ง โครงสร้างชนิดใหม่ที่มีฟังก์ชั่นฉพาะตัว ด้วยการจัดระเบียบตัวเองโดยการจดจาโมเลกุล ในกระบวนการสร้างน้ัน รปู แบบเฉพาะจะถกู แทรกเข้าไปในโมเลกุลเกิดเปน็ โครงสรา้ งนาโนซเู ปอร์โมเลกุลที่จัดระเบยี บโดยใช้โมเลกลุ ทางเคมี เปรียบเสมอื นรูปแบบการจัดระเบยี บตัวเองแบบกุญแจและแม่กุญแจของสสาร นักวิทยาศาสตร์สามารถจัดรูปแบบ กญุ แจในโมเลกุลให้พอดกี ับแม่กุญแจอกี อันได้ เมื่ออยู่ใกล้กนั โมเลกุลท้ังสอง (หรอื มากกว่า) จะรวมตวั กัน กลไกของ แม่กุญแจและลูกกุญแจจะทาหน้าที่ผูกโมเลกุลทั้งสองเข้าด้วยกันในรูปแบบเฉพาะ โดยในซุปเปอร์โมเลกุลจะไม่มี พนั ธะเคมีเกดิ ขึ้นระหว่างกระบวนการประกอบตัวเอง โมเลกลุ จะถูกจดั รวมเข้าด้วยกันผ่านการยึดเกาะของโลหะกับ ไอออน (Metal-ion coordination) พันธะไฮโดรเจน อันตรกิริยาของตัวให้และตัวรับ (Donor-acceptor interaction) แรงแวนเดอร์วาลส์ และผลของตัวกลาง (เช่น ตัวทาละลาย) โครงสร้างตัวกลางโลหะทรานซิชัน (Transition-metal-mediated structure) เป็นโครงสร้างโมเลกลุ ขนาดใหญ่ประเภทหนึ่งที่น่าสนใจ ซึ่งความสนใจ ในโครงสร้างของโมเลกุลขนาดใหญน่ ้ันเกิดจากข้อเทจ็ จริงทว่ี ่าวัสดุสามารถมีสมบัตทิ ่ีแตกต่างจากส่วนประกอบของ

57 ตัวเองได้ (เช่น การเปลีย่ นแปลงสมบตั ทิ างไฟฟ้า) ในโครงสร้างนี้แคทไออนจะเป็นตวั ประสานที่ยดึ โมเลกลุ เข้าดว้ ยกัน นอกจากน้ยี ังมีอีกวิธีการหน่ึงในการสร้างโครงสร้างชนิดใหม่โดยใช้สมบัติการจดจาตัวเองของ DNA ในการประกอบ เป็นโครงสร้างนาโนที่ต้องการด้วยวิธีแบบล่างขึ้นบน ท่ีเรียกว่า นาโนเทคโนโลยีดีเอ็นเอ (DNA nanotechnology) โด ย มี โ ค ร ง ส ร้ า ง ซุ ป เ ป อ ร์ โ ม เ ล กุ ล ที่ ส า คั ญ ส อ ง ช นิ ด ที่ ส ร้ า ง ขึ้ น ผ่ า น ก ร ะ บ ว น ก า ร ป ร ะ ก อ บ ตั ว เ อ ง คื อ เ ด น ไ ด ร ม์ (Dendrimes) และไซโคลเดกตริน (Cyclodextrins) รปู ที่ 3.21 รูปที่ 3.20 ดเี อน็ เอเกลยี วคู่ (DNA double helix) (ทีม่ า : https://www.genome.gov/genetics-glossary/Double-Helix) รูปที่ 3.21 โครงสรา้ งพ้นื ฐานของ (ก) เดนไดรม์ (Dendrimes) และ (ข) ไซโคลเดกตริน (Cyclodextrins) (ทมี่ า : https://www.acs.org/content/acs/en/molecule-of-the-week/archive/c/cyclodextrins.html)

58 บทสรุป การศึกษาระดับนาโนคือการศึกษาสสารท่ีอยู่ระหว่าง “บัลก์” ซ่ึงอธิบายได้ด้วยนิวโตเนียนฟิสิกส์ (Newtonian Physics) และ “อะตอม” ซึ่งอธิบายได้ด้วยควอนตัมฟิสิกส์ (Quantum Physics) โดยพบว่าสมบัติท่ี โดดเด่นของสสารในระดับนาโนนน้ั ได้กระต้นุ ให้นักวทิ ยาศาสตร์คิดคน้ ส่ิงใหม่ในหลากหลายดา้ น ซึ่งวัสดุบัลกม์ ีสมบัติ ทางกายภาพท่ีต่อเนื่องเช่นเดียวกับวัสดุขนาดไมครอน แต่เม่ืออนุภาคมีขนาดอยู่ในระดับนาโนพบว่าหลักการของ ฟิสิกส์คลาสสิกไม่สามารถอธิบายพฤติกรรม (เช่น การเคล่ือนท่ี พลังงาน) ได้อีกต่อไป ในการอธิบายในระดับนาโน น้ันจะตอ้ งใชห้ ลักการทางกลศาสตร์ควอนตัม โดยพบวา่ วัสดุชนดิ เดยี วกนั ทร่ี ะดบั นาโนจะมีสมบตั ิ (เช่น ทางแสง ทาง กล ทางไฟฟ้า เป็นต้น) ที่แตกต่างจากวัสดุที่ระดับไมครอน

59 แบบฝึกหัดทา้ ยบท 1. อนภุ าคนาโนแตกต่างจากอนุภาคขนาดใหญ่อย่างไร เหตใุ ดจึงตอ้ งมกี ารพฒั นาวสั ดุใหอ้ ยู่ในระดบั นาโน 2. จงอธิบายปรากฏการณก์ ารกกั ขงั ควอนตมั (Quantum confinement) 3. อธบิ ายสมบตั ขิ องวัสดุนาโนในดา้ นตา่ งๆ มา 4 ด้าน 4. จงคานวณหาจานวนอะตอมชั้นท่ี 5 ของโครงสรา้ งนาโน 5. จงอธบิ ายทฤษฎีดีแอลวีโอในการรกั ษาเสถยี รภาพการกระจายตวั ของอนุภาคนาโน 6. จงอธบิ ายผลของค่า pH และความแข็งแรงไอออนกิ ที่มตี ่อการกระจายตวั ของอนุภาคนาโน



เอกสารอ้างองิ ______. (มปป). Nanoscale – why size matter. สืบค้นเมื่อวนั ที่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://ninithi.wordpress.com/nanoscale-why-size-matter/ ______. (2019). Quantum tunnelling is instantaneous, researchers find. สบื คน้ เม่อื วันท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://cosmosmagazine.com/physics/quantum-tunnelling-is-instantaneous-researchers- find ______. (มปป). Introduction to Inorganic Chemistry/Basic Science of Nanomaterials. สืบค้นเมื่อ วันที่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://en.wikibooks.org/wiki/Introduction_to_Inorganic_Chemistry/Basic_Science_of_Nan omaterials Phung, B., Hashimoto, T., Nishikawa, K., & Nagao, H. (2009). Ab-initio studies of magnetic properties of small-sized and cuboctahedral aluminum nanoclusters. International Journal of Quantum Chemistry, 109, 3457 – 3465. ______. (มปป). Motion of Molecules. สบื คน้ เมือ่ วันท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก http://quantumfreak.com/motion-of-molecules/ ______. (2011). DLVO Theory. สบื คน้ เม่ือวนั ท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก http://soft-matter.seas.harvard.edu/index.php/DLVO_theory Edvinsson, T. (2018). Optical quantum confinement and photocatalytic properties in two-, one- and zero-dimensional nanostructures. Royal Society Open Science, 5, 180387. Rabouw, F.T., & Donega, C.M. (2016). Excited-State Dynamics in Colloidal Semiconductor Nanocrystals. Topics in Current Chemistry, 374(5). DOI:10.1007/s41061-016-0060-0 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. Sonstrom, P., & Baumer, M. (2011). Supported colloidal nanoparticles in heterogeneous gas phase catalysis: on the way to tailored catalysts. Physical Chemistry Chemical Physics, 13, 19270- 19284. Minelli, C. (2004). Bottom-up approaches for organizing nanoparticles with polymers. DOI:10.5075/epfl-thesis-3092 ______. (มปป). Mechanical Properties of Solids: Hooke’s Law and Stress-strain Curve. สืบค้นเม่ือ วนั ที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.toppr.com/guides/physics/mechanical-properties-of-solids/hookes-law-and- stress-strain-curve/

62 ______. (มปป). Band Gap. สบื คน้ เมอ่ื วนั ท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://energyeducation.ca/encyclopedia/Band_gap Akkerman, Q. (2 0 1 9 ) . Lead Halide Perovskite Nanocrystals: A New Age of Semiconductive Nanocrystals. DOI: 10.13140/RG.2.2.23651.81442. สืบคน้ เมื่อวนั ที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.researchgate.net/publication/332671450_Lead_Halide_Perovskite_Nanocryst als_A_New_Age_of_Semiconductive_Nanocrystals Jagtap, S., Chopade, P., Tadepalli, S., Bhalerao, A., & Gosavi, S. (2019). A review on the progress of ZnSe as inorganic scintillator. Opto-Electronics Review, 27(1), 90–103. Oldenburg, S.J. Silver Nanomaterials: Properties & Applications. nanoComposix, Inc. San Diego, California 92111. สบื คน้ เมื่อวันท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/technology-spotlights/silver- nanomaterials.html Bloemen, M. (2015). Immunomagnetic separation of bacteria by iron oxide nanoparticles. Dissertation presented in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor in Science, May 2015. Roman, S. (2014). Superparamagnetic nanoparticles and the separation problem. สบื คน้ เม่ือวันท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://mappingignorance.org/2014/03/05/superparamagnetic-nanoparticles-and-the- separation-problem/ ______. (มปป). Double Helix. สืบค้นเม่อื วนั ท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://www.genome.gov/genetics-glossary/Double-Helix ______. (2015). Cyclodextrins. สบื คน้ เมื่อวนั ท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.acs.org/content/acs/en/molecule-of-the-week/archive/c/cyclodextrins.html

แผนบริหารการสอนประจาบทท่ี 4 หวั ข้อเนื้อหา การสงั เคราะหว์ ัสดุนาโน 4.1 วิธีทางกายภาพ 4.2 วธิ ที างเคมี 4.3 วธิ ที างชีวภาพ วัตถุประสงคเ์ ชิงพฤติกรรม เมอื่ ผเู้ รียน เรยี นจบบทนี้แลว้ ผูเ้ รยี นควรมีความรูแ้ ละทกั ษะดงั น้ี 1. มคี วามเขา้ ใจในการสังเคราะห์วัสดนุ าโน ดว้ ยวธิ ีการตา่ งๆ วิธีสอนและกจิ กรรมการเรยี นการสอนประจาบท 1. บรรยายเนือ้ หาในแตล่ ะหัวขอ้ พรอ้ มยกตัวอยา่ งประกอบ 2. ศึกษาเอกสารประกอบการสอน 3. ผูส้ อนสรปุ เนื้อหา 4. ผู้สอนทาการซักถาม ส่อื การเรยี นการสอน 1. เอกสารประกอบการสอนวิชานาโนเทคโนโลยเี บ้ืองต้น 2. Power Point การวดั ผลและประเมนิ ผล 1. ประเมินจากการซกั ถามในชัน้ เรยี น 2. ประเมนิ จากการทาแบบฝึกหดั ทบทวนท้ายบทเรยี น 3. ประเมนิ จากการสอบกลางภาค



บทท่ี 4 การสงั เคราะห์วัสดุนาโน (Synthesis of Nanomaterials) ======================================================================== เนื่องจากอนุภาคนาโนมีพ้ืนที่ผิวจาเพาะสูง มีความไวต่อปฏิกิริยาสูง และมีการเกาะกลุ่มกันอย่างแข็งแรง เหนียวแน่น อีกท้ังการสังเคราะห์อนุภาคนาโนมักเกิดข้ึนในช่วงอุณหภูมิค่อนข้างสูง ดังนั้นการควบคุมปัจจัยต่าง ๆ ในระหว่างการสังเคราะห์ และผลจากกระบวนการต่าง ๆ จึงเป็นส่ิงสาคัญท่ีท้าทายความสามารถของ นกั วทิ ยาศาสตร์ ความเขา้ ใจความสมั พนั ธ์ระหวา่ งกระบวนการเตรียม โครงสรา้ ง และสมบตั ิตา่ งๆ ของวสั ดนุ าโนน้ัน เป็นสิ่งจาเป็นต่อการพัฒนาวัสดุนาโนชนิดใหม่ๆ ท่ีมีสมบัติ โครงสร้าง และการใช้งานด้านต่าง ๆ ตามสมบัติและ ลกั ษณะของวสั ดุนาโนแตล่ ะชนดิ วิธีการผลิตวัสดุนาโนสามารถแบ่งย่อยได้เป็นสองกลุ่ม คือ วิธีการจากบนลงล่าง (Top-down) และวิธีการ จากล่างขึน้ บน (Bottom-up) ในท้ังสองวิธนี ้ีสิ่งที่จาเป็นพื้นฐานท่ีต้องมีสองประการคือ การควบคุมเง่อื นไขการผลิต และการควบคุมสภาพแวดล้อม ด้วยเหตุผลเหล่าน้ีนาโนเทคโนโลยีจึงต้องใช้เครื่องมือประดิษฐ์ท่ีมีความซับซ้อนสูง โดยส่วนใหญ่ต้องทาการเตรยี มในหอ้ งปฏิบตั ิการท่สี ะอาด รปู ท่ี 4.1 เทคโนโลยีการผลติ วัสดแุ บบบนลงล่าง (Top-down) และล่างขน้ึ บน (Bottom-up) (ที่มา : Barbhuiya & Qureshi, 2014) เทคโนโลยีแบบบนลงล่าง (Top-Down Technology) เป็นเทคโนโลยีท่ีผลิตส่ิงต่าง ๆ โดย อาศัยวิธีทาง กล เช่น การกลงึ การบีบ การอัด การเช่ือมต่อ การดดั โค้งงอ และวิธีอื่น ๆ หรอื อาจใช้วิธที างเคมีโดยการผสมใหเ้ กิด

66 การทาปฏิกิริยาทางเคมีโดยพยายามควบคุมสภาวะต่าง ๆ ให้เหมาะสมแล้วปล่อยให้สารต้ังต้นทาปฏิกิริยากันเอง หรอื อาจเรยี กวา่ เป็นเทคโนโลยแี บบหยาบ (Bulk Technology) การผลิตอยู่ในระดับ 0.2-0.3 ไมครอน เก่ยี วขอ้ งกับ อะตอมจานวนมากในระดับล้านล้านอะตอม ตัวอย่างเช่น ไมโครชิป (Microship) วิธีการน้ีถูกพัฒนาโดยริชาร์ด ฟายน์แมน ซ่ึงเป็นเทคนิคที่อยู่บนพ้ืนฐานของการลดขนาดโดยการแบ่งวัสดุขนาดใหญ่ (Bulk) ออกเป็นช้ินเล็กๆ (Nanoparticles) ยกตัวอย่างเช่น การบดย่อย วิธีทางเคมี โฟโตลิโธกราฟฟี (Photo-lithography) ลิทโธกราฟฟี แบบลาอเิ ลก็ ตรอน (Electron beam lithography) และลิทโธกราฟฟีแบบรงั สเี อ็กซ์ (X-ray lithography) เทคโนโลยีแบบล่างข้ึนบน (Bottom-Up Technology) เป็นเทคโนโลยีท่ีเก่ียวข้องกับการผลิตสิ่งต่าง ๆ โดยอาศยั วิธีการจดั การ หรอื การผลิต โดยการนาอะตอมหรือโมเลกลุ มาจัดเรียงในตาแหนง่ ท่ตี ้องการได้อย่างแมน่ ยา สิ่งที่ผลิตขึ้นมาได้นั้นอาจเป็นสิ่งเล็กๆ หรือเป็นสิ่งใหญ่ก็ได้ ซึ่งอาจเรียกว่า เทคโนโลยีระดับโมเลกุล (Molecular Technology) โดยนาเอาเทคโนโลยีเหล่านี้ไปสร้างสิ่งที่ใหญ่ขึ้น ตัวอย่างเช่น พืชสร้างผนังเซลล์จากการนาเอา โมเลกลุ น้าตาลมาเรียงต่อกัน ดังนั้นเทคโนโลยีระดับโมเลกลุ นีเ้ องทท่ี าให้เกิดการพัฒนาดา้ นเทคโนโลยีนาโน วิธกี าร ล่างขนึ้ บนน้ไี ดร้ ับการพัฒนาโดย เจียนมารี เลน (Jean-Marie Lehn) เปน็ เทคนิคที่อยู่บนพื้นฐานของการค่อยๆเพ่ิม อะตอมและโมเลกุล ประกอบด้วยการควบแน่นของอะตอมหรือโมเลกุลในเฟสแก๊สหรือในเฟสสารละลาย ตัวอย่าง วิธีการของเทคโนโลยีแบบล่างข้ึนบน เช่น กระบวนการโซลเจล (Sol-gel processing) การเคลือบด้วยไอทางเคมี (Chemical vapour deposition; CVD) และการเคลือบด้วยไอทางฟิสิกส์ (Physical vapour deposition; PVD) การพ่นด้วยพลาสมา (Plasma spraying) และการควบแน่นโมเลกลุ (Molecular condensation) โดยวธิ กี ารเตรียมวสั ดุนาโนนน้ั สามารถเตรียมได้ด้วยวิธีทง้ั ทางกายภาพ เคมี และชีวภาพ ดงั ต่อไปนี้ 4.1 วิธีทางกายภาพ 4.1.1 การบดย่อย (Ball-Milling) รปู ที่ 4.2 การบดผสมด้วยลกู บด (ทมี่ า : Khadka, et al., 2014)

67 กระบวนการบดผสมด้วยลูกบด (Ball-milling) โดยกระบวนการบดผสมด้วยลกู บอลเป็นการบดผสมโดยใช้ แรงกลในการบดผสม และในระหว่างการบดผสมนี้จะไม่มีการเปล่ียนแปลงทางเคมี มีเพียงการเปลี่ยนแปลงทาง กายภาพเท่านั้น กระบวนการนี้ได้รับความนยิ มอย่างสูงในการนามาใช้เพื่อลดขนาดอนภุ าคผงเฉล่ีย ทาลายอนุภาค ผงท่มี ีรพู รนุ หรือส่ิงแปลกปลอมที่ฝงั อยู่ด้านในให้แตกออก สามารถนามาใชใ้ นการผสมอนุภาคผงต่างชนิดกันใหเ้ ป็น เน้ือเดียวกนั ไปพรอ้ ม ๆ กบั การลดขนาดของอนุภาคได้ แสดงการทางานดงั รูปที่ 4.2 4.1.2 วธิ ลี ทิ โธกราฟฟี (Lithography) ลิทโธกราฟฟีมีลักษณะคล้ายกับการแกะสลักหรือการวาดแบบบนพ้ืนผิวของของแข็งซึ่งเป็นการจัดการกับ วัสดุชิ้นใหญ่โดยการนามาแกะสลักให้เป็นชิ้นเล็กลงโดยใช้ลาแสง ซึ่งสามารถใช้ลาแสงได้ท้ังแสงอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet) และแสงขาวหรือแสงที่ตามองเห็นได้ (Visible light) โดยวิธีลิทโธกราฟฟีเป็นวิธีการท่ีสาคัญสาหรับ การประยกุ ต์ใช้ในงานอุตสาหกรรมไมโครอิเลก็ ทรอนิกส์ รูปที่ 4.3 เครอื่ งลทิ โธกราฟฟี (ทมี่ า : https://www.azonano.com/equipment-details.aspx?EquipID=1482) นาโนลทิ โธกราฟฟี (Nanolithography) เป็นวิธีการลิทโธกราฟฟีในระดบั นาโนเมตรท่ีไม่สามารถใช้แสงขาว (ความยาวคลื่นในช่วง 400-700 นาโนเมตร) ในการจัดการกับวัสดุได้ เน่ืองจากมีความยาวคล่ืนใหญ่กว่าโครงสร้าง ระดบั นาโนเมตร จึงไม่สามารถสร้างลวดลายบนวัสดรุ ะดับนาโนได้ ดังน้ันจึงได้มีการพัฒนาเพื่อให้สามารถใชว้ ิธกี าร ลิทโธกราฟฟีในการผลิตโครงสร้างนาโนได้ โดยมากแล้ววิธีการน้ีจะใช้ในกระบวนการของการผลิตสารก่ึงตัวนา (Semiconductor) สาหรับสรา้ งแผงวงจรรวมหรือไอซี (IC) ของชพิ คอมพวิ เตอรร์ วมทัง้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ และมีแนวโน้มในการนามาใช้สาหรับระบบเครื่องกลไฟฟ้าระดับนาโน (Nanoelectromechanical systems; NEMS) ซึ่งในปจั จบุ นั วิธีการนาโนลทิ โธกราฟฟที ่นี ามาใช้งานเพือ่ สร้างโครงสร้างระดบั นาโน มดี งั นี้

68 4.1.2.1 วิธลี ทิ โธกราฟีแบบใชแ้ สง (Photo Lithography, PL) วธิ ีลิทโธกราฟีแบบใช้แสงจะใชแ้ สงเลเซอรเ์ ขยี นหรอื วาดรูปแบบวงจรบนชน้ั ของโครเมยี มที่เคลอื บอยู่บนแก้ว ดังแสดงในรูปที่ 4.4 จากน้นั นารูปแบบวงจรท่ีสรา้ งในขน้ั ตอนทีห่ นงึ่ มาใช้เป็นหนา้ กาก (Mask) เพอ่ื ผลติ รปู แบบวงจร บนแผ่นซิลิกอนโดยใช้แสงอัลตราไวโอเลต โดยผ่านลาแสงอัลตราไวโอเลตให้ทะลุผ่านรูปแบบวงจรท่ีสร้างขึ้นใน ข้ันตอนที่หน่ึง โดยแสงจะผ่านทะลุลงไปไดเ้ ฉพาะบรเิ วณที่ไม่มชี น้ั ของโครเมยี ม ที่ไดส้ ลักลวดลายไว้ในข้นั ตอนทหี่ น่ึง สะดวก ดังนน้ั เพื่อใหส้ ามารถสรา้ งโครงสร้างทีม่ ีขนาดเลก็ ลง ทางานได้เรว็ ขึ้น และราคาถกู จึงมกี ารนาลาอเิ ลก็ ตรอน และรงั สเี อกซม์ าใช้ในกระบวนการโฟโตลิทโธกราฟฟีแทนลาแสงอัลตราไวโอเลต รูปที่ 4.4 กระบวนการสร้างลายวงจรบนช้นั ของโครเมยี มดว้ ยเลเซอร์ (ท่มี า : Franssila, 2004) รปู ท่ี 4.5 กระบวนการลิทโธกราฟแี บบใช้แสงในการเตรียมฟลิ ม์ ออกไซด์ (ก) เคลือบฟิล์มออกไซด์ (ข) วางแผ่นก้ันแสง (Photoresist) (ค) ลาแสงอัลตราไวโอเลตส่องผ่านมาร์คไปยังช้ินงาน (ง) สรา้ งรูปแบบแผ่นก้ันแสง (จ) กัดกรดชัน้ ออกไซด์ออก (ฉ) นาแผ่นกน้ั แสงออกจะได้ช้ันของออกไซดต์ ามรปู แบบที่ ต้องการ (ที่มา : http://toppicture.dx.am/?top=3&definitions=Photolithography)

69 4.1.2.2 วิธีลิทโธกราฟฟีแบบลาอเิ ลก็ ตรอน (Electron Beam Lithography; EBL) วิธีลิทโธกราฟฟีแบบลาอิเล็กตรอนเป็นวิธีการสร้างโครงสร้างระดับนาโนเมตร โดยการใช้ลาอนุภาค อิเล็กตรอนเพ่ือสร้างรูปแบบของโครงสร้างบนพ้ืนผิววัสดุ โดยวิธีลิทโธกราฟีแบบลาอิเล็กตรอนมีหลักการพื้นฐาน เหมือนกับวิธีลิทโธกราฟีแบบใช้แสงและวิธีอ่ืนๆ โดยฐานรองรับจะถูกเคลือบด้วยสารก้ันแสง และถูกทาให้เกิดการ เปลี่ยนแปลงทางเคมีดว้ ยลาอิเล็กตรอน ดังรปู ที่ 4.6 โดยลดข้ันตอนการสร้างหนา้ กากเพื่อปดิ ส่วนที่ไม่ต้องการฉาย แสง ซ่ึงเปน็ ขัน้ ตอนทซ่ี บั ซ้อน รปู ท่ี 4.6 กระบวนการลทิ โธกราฟฟีแบบลาอเิ ลก็ ตรอน (ท่มี า : Narayanamurthy, et al., 2014) 4.1.2.3 วธิ ลี ิทโธกราฟีแบบใชป้ ลายแหลม (Dip-Pen Nanolithography; DPN) วิธีการลิทโธกราฟีแบบใช้ปลายแหลมเป็นการสร้างโครงสร้างระดบั นาโนเมตรทต่ี ้องการบนพ้ืนผิวต่างๆ โดย การเขยี นลงบนพ้ืนผิวโดยตรง โดยใช้ปลายแหลมของกล้องจุลทรรศนแ์ รงอะตอมซึง่ ตรงปลายแหลมจะมีท่ีเก็บหมึก เม่ือใช้ปลายแหลมลากผ่านพนื้ ผวิ ของวตั ถุ อะตอมของหมึกจะทาปฏิกริ ยิ ากับพ้ืนผิวต้งั ต้น เกิดเป็นโครงสร้างนาโนที่ มีความเสถียรบนผิววตั ถุนน้ั ซง่ึ หมึกท่ใี ช้เป็นได้ท้งั สารประกอบทางชีวภาพ เชน่ โพลิเมอร์ หรือสารประกอบทางเคมี เช่น กามะถนั หรอื โมเลกลุ ทางชวี ภาพ เชน่ ดเี อ็นเอ หรือโปรตีน เป็นต้น

70 รปู ที่ 4.7 กระบวนการลิทโธกราฟแี บบใชป้ ลายแหลม (ทีม่ า : Narayanamurthy, et al., 2014) 4.1.2.4 วธิ ีลทิ โธกราฟีแบบใช้ชอ่ งวา่ งนาโน (Nanosphere Lithography; NSL) รปู ท่ี 4.8 กระบวนการลิทโธกราฟแี บบใช้ช่องวา่ งนาโน (ก) ทาความสะอาดพ้นื ผวิ (ข) จดั เรยี งโครงสรา้ งทตี่ อ้ งการ ด้วยทรงกลมขนาดนาโนเมตร (ค) เคลือบสารที่ต้องการ (ง) นาทรงกลมขนาดนาโนเมตรออก (ท่มี า : Hill & Chilkoti, 2013)

71 วิธีการลิทโธกราฟีแบบช่องว่างเป็นการสร้างโครงสร้างท่ีมีหลักการง่ายๆ จากการวางแบบ (Pattern) ท่ี ต้องการท่จี ะสร้างบนพนื้ ผิว โดยแบบท่ีวางจะมชี ่องวา่ งหรือรูอยู่ จากนั้นใช้เนอ้ื วัสดทุ ตี่ ้องการสร้างจริงทาการเคลือบ ปกคลุมแบบที่วางเอาไว้ให้ทั่ว หลังจากนั้นก็เอาแบบท่ีวางไว้ตอนแรกออก ก็จะได้เป็นโครงสร้างในระดับนาโนที่ เกิดขน้ึ บริเวณทีเ่ ป็นช่องหรือรูจากแบบทว่ี าง ยกตวั อยา่ งเชน่ ถ้าหากนาลูกแก้วมาเรียงบนแผ่นกระดานจนเต็มพื้นผิว ตัง้ ต้นโดยจัดใหช้ ิดทส่ี ุดเท่าท่ีจะชิดได้ จากนั้นใช้สฉี ีดพ่นไปบนลูกแกว้ จนท่ัวทง้ั หมด จะพบวา่ เม่ือนาลูกแก้วออกจาก แผ่นกระดาน สีสเปรย์ที่ฉดี พ่นลงไปจะปรากฏอยู่บนพื้นกระดานเป็นจดุ ๆ โดยทุกจุดมีรูปทรงคล้ายสามเหลี่ยมแต่มี ดา้ นที่เว้นเว้าข้างใน ซึ่งจุดทเ่ี กิดข้ึนนี้เกิดจากสีท่ีพ่นผ่านช่องว่างเลก็ ระดับนาโนท่ีอยู่ระหว่างลูกแก้วที่วางติดกัน ทา ให้ได้โครงสร้างระดับนาโนของสีที่พ่นลงไป ข้อดีของวิธีการน้ีคือ สามารถใช้กับพื้นผิวได้หลายชนิด สามารถเลือก โมเลกุลทีพ่ ่นลงไปได้หลากหลาย สามารถพน่ โมเลกลุ ทับได้หลายชั้น และสามารถสร้างจดุ นาโนไดเ้ ปน็ จานวนมากใน ครั้งเดียว 4.1.3 การหมนุ เหวย่ี ง (Spin Coating) การหมุนเหว่ียงเป็นการสร้างวัสดุโครงสร้างระดับนาโนในลักษณะเป็นฟิล์มบาง เริ่มจากการวางฐานรองรับ (Substrate) ลงบนฐานของเครื่องหมุนเหวี่ยง หยดสารละลายตั้งต้นลงบนฐานรองรับ ซึ่งมีปั๊มสุญญากาศในการทา ให้ฐานรองรับยดึ ตดิ กบั ฐานของเครื่อง จากนัน้ หมุนเหว่ียงให้สารละลายแผก่ ระจายอยา่ งสม่าเสมอบนฐานรองแล้วท้ิง ไว้ทอี่ ุณหภูมหิ ้องหรืออบในเตาอบเพื่อไล่ความชื้นและระเหยตัวทาละลาย ทาให้สารแห้งติดบนฐานรองรับ ดงั แสดง ในรปู ที่ 4.9 รปู ที่ 4.9 กระบวนการหมนุ เหว่ยี ง (ก) หยดสารละลายลงบนฐานรองรับ (ข) หมุนเหว่ยี ง (ค) ทาให้แห้ง (ทมี่ า : Amokrane, et al., 2018) วิธีนี้สามารถเตรียมฟิล์มที่ความเร็วในการหมุนเหวี่ยงสูงได้ และสามารถเตรียมฟิล์มบางต้ังแต่ 0.1 ถึง 5 ไมโครเมตรได้ แต่วิธีน้ีมีข้อเสียตรงลักษณะของฟิล์มท่ีได้มักจะมีการหดตัว (Film shrinkage) ทาให้ได้ฟิล์มท่ีไม่ สม่าเสมอ

72 4.1.4 การระเหยทางความรอ้ น (Thermal Evaporation) การระเหยสารดว้ ยความร้อนคอื กระบวนการทง่ี า่ ยสาหรบั การสงั เคราะหว์ ัสดุนาโนด้วยวิธีทางกายภาพ ซ่ึง จะได้วัสดุนาโนออกมาในรปู ของฟลิ ม์ บาง โดยใช้เทคโนโลยดี ้านสญุ ญากาศในการเคลอื บวสั ดบุ นพ้ืนผวิ ของวัตถุต่างๆ การเคลือบฟิล์มท่ัวไปอยู่ในช่วง 10-10 ถึง 10-6 เมตร และสามารถใช้วัสดุต้ังต้นเพียงชนิดเดียวหรือหลายชนิดใน โครงสร้างของฟิลม์ อีกทั้งเทคนคิ น้ียังสามารถทาการระเหยได้ทงั้ โลหะและอโลหะเคลือบบนฐานรองรับหลากหลาย ชนิด เชน่ ฐานรองรับสารกงึ่ ตัวนา เซลลพ์ ลงั งานแสงอาทติ ย์ อปุ กรณท์ างแสง และอ่นื ๆ การระเหยสารด้วยความร้อน คือการที่ให้ความร้อนกับวัสดุของแข็งเพื่อให้เกิดแรงดันไอขึ้นภายใต้ห้อง สุญญากาศ เม่ือแรงดนั ไอตา่ จะทาให้เกิดไอระเหยของสารภายในห้องสุญญากาศ เมื่อสารระเหยกลายเปน็ ไอจะลอย ข้ึนไปติดแน่นกับฐานรองรับเกิดเป็นฟิล์มบาง ดังรูปที่ 4.11(ก) โดยเคร่ืองระเหยสารด้วยความร้อนถูกออกแบบให้ สามารถปรบั ค่าไดห้ ลากหลาย เพื่อใหส้ ามารถสร้างฟิลม์ ที่ความหนาสม่าเสมอ มกี ารยึดเกาะที่ดี สมบัตทิ างแสงและ ทางไฟฟา้ ทีด่ ี เป็นต้น แหล่งให้ความร้อนในระบบระเหยสารด้วยความร้อนน้ันนิยมให้ความรอ้ นด้วยไส้หลอด (Filament) ซึ่งเป็น วสั ดุทมี่ ีความต้านไฟฟา้ และทนอณุ หภูมิสงู ได้ เช่น ทงั สเตน (Tungsten) การใช้ไส้หลอดเพอื่ ให้ความร้อนน้ันจะต้อง ใช้ความต่างศักยต์ ่าแต่ใช้กระแสท่ีสูงมาก (ประมาณ 100 แอมป์) โดยเครือ่ งระเหยสารดว้ ยความร้อน แสดงดังรปู ที่ 4.11(ข) รูปท่ี 4.10 (ก) เครือ่ งระเหยสารดว้ ยความร้อน (ข) หลกั การทางาน (ที่มา : Park, et al., 2016; https://physics.anu.edu.au/eme/capabilities/evaporation.php) 4.1.5 การเคลอื บแบบสปตั เตอร์ริง (Sputtering) กระบวนการสปัตเตอริงเป็นกระบวนการท่ีอะตอมผิวหน้าของวัสดุถูกทาให้หลุดออกมาด้วยการชนของ อนุภาคพลังงานสูง โดยมีการแลกเปล่ียนพลังงานและโมเมนตัมระหว่างอนุภาคท่ีวิ่งเข้าชนกับอะตอมท่ีผิววัสดุ ดังกลา่ ว โดยกระบวนการสปตั เตอริงแสดงในรปู ท่ี 4.12