การควบคุมตัวปั๊มนาโนบอลลูนด้วยไฟฟ้าสถิต


เมื่อไม่นานมานี้ มีการประกาศรางวัลโนเบลสาขาเคมีปีล่าสุด โดยมอบให้กับนักวิทยาศาสตร์ 3 คน คือ Jean-Pierre Sauvage, Farser Stoddart และ Bernard L Feringa ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ทั้งสามได้มีส่วนร่วมในการค้นพบเครื่องจักรโมเลกุลที่เล็กที่สุดในโลก โดยการพัฒนาโมเลกุลให้ควบคุมการเคลื่อนที่ได้ด้วยการให้พลังงาน ในส่วนของงานวิจัยด้านฟิสิกส์ มีงานที่น่าสนใจและใช้หลักการคล้ายกันนั่นคือ การควบคุมตัวปั๊มนาโนบอลลูนด้วยไฟฟ้าสถิต

ก่อนจะพูดถึงวิธีการควบคุมตัวปั๊มนาโนบอลลูนด้วยไฟฟ้าสถิต เรามาทำความรู้จักกับตัวปั๊มนาโนบอลลูนกันก่อน

ตัวปั๊มนาโนบอลลูน (Nanoballoon Actuator)

ในระดับมหาภาค ตัวปั๊มบอลลูนถูกนำไปใช้ยกซากสิ่งก่อสร้างหลังจากเกิดแผ่นดินไหว หรือใช้ป้องกันอันตรายในรถยนต์เมื่อเกิดการชนขึ้น (airbags) หรือใช้สำหรับขยายหลอดเลือดที่ตีบตัน และในระดับจุลภาค ตัวปั๊มบอลลูนถูกนำไปใช้สำหรับ micro pumps และ flow controllers หรือในธรรมชาติ ขาของแมลงบางชนิด เช่น แมงมุมกระโดด (jumping spider) ตัวปั๊มไมโครบอลลูนภายในขาของแมงมุมจะช่วยเพิ่มกำลังในการกระโดด แต่สำหรับตัวปั๊มนาโนบอลลูน ยังเป็นสิ่งที่ยังศึกษาได้ยาก เนื่องจากในระดับนาโนมีความซับซ้อนในการควบคุมการอัดอากาศ

เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยที่ Penn State University ได้เสนอทฤษฎีที่ว่า ประจุไฟฟ้าสามารถควบคุมตัวปั๊มนาโนบอลลูนได้โดยการบีบตัวและขยายตัวสลับกันของ carbon nanotube

และตอนนี้ Hamid Reza Barzegar และทีมวิจัย ได้ทำการทดลองการควบคุมตัวปั๊มนาโนบอลลูนสำเร็จ และได้ตีพิมพ์งานวิจัยในวารสาร Nano Letters

ภาพแสดงการบีบตัวและขยายตัวของ carbon nanotube

(ภาพจาก วารสาร Nano Letters)

ในการทดลอง นักวิจัยใช้ transmission electron microscopy หรือ TEM ในการสร้าง carbon nanotube เริ่มต้น ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่และมีผนังหลายชั้นซ้อนกัน แต่ในการทดลองใส่ประจุไฟฟ้าสถิตให้กับ carbon nanotube จะใส่ให้กับชั้นของ carbon nanotube ที่เหมาะสมเท่านั้น ส่วนวิธีการเลือกชั้นของ carbon tube ที่เหมาะสม และการใส่ศักย์ไฟฟ้าเพื่อให้ carbon nanotube ที่เลือกไว้นั้นมีการบีบและขยายตัว ทำได้ตามแผนภาพจำลองด้านล่าง

(ภาพจาก วารสาร Nano Letters)

ภาพ a) ใส่อิเล็กโทรดซึ่งเคลือบด้วยเงินและอยู่นิ่งกับที่ให้กับปลายด้านหนึ่งของ carbon nanotube เริ่มต้น ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ และมีผนังหลายชั้น จากนั้นใช้ tungsten (W) tip ซึ่งมีศักย์ไฟฟ้า เคลื่อนที่มาเปิดปลายอีกด้านหนึ่งของ carbon nanotube ด้วยวิธี spot-welding หรือ กระบวนการในการเชื่อมจุดบนผิววัสดุโดยใช้ความร้อนจากความต้านทานกระแสไฟฟ้า

ภาพ b) และ c) เคลื่อน W tip ไปทางขวาเพื่อดึงชั้นของ carbon nanotube ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่าชั้นที่สนใจ (ชั้นสีเขียว) ทิ้งไป

ภาพ d) และ e) เคลื่อน W tip ไปเชื่อมกับชั้น carbon nanotube ชั้นที่สนใจ (ชั้นสีน้ำเงิน) ด้วยวิธี spot-welding และดึงชั้น carbon nanotube ที่สนใจออก

ภาพ f) carbon nanotube ชั้นที่สนใจมีการบีบตัวอย่างกะทันหันจากการรบกวนเชิงกล

ภาพ g) และ h) ชั้น carbon nanotube ที่บีบตัวสามารถขยายตัวกลับได้ โดยการใส่ศักย์ไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย และถ้านำกระแสไฟฟ้าออก carbon nanotube ก็ยังสามารถบีบตัวและขยายตัวได้ซ้ำไปซ้ำมาเป็นวัฏจักร

ซึ่งภาพที่ได้จากเครื่อง TEM ในการทดลองจริงนั้น สอดคล้องกับภาพจำลองข้างต้น

ภาพจากเครื่อง TEM แสดงการบีบตัวและขยายตัวของ carbon nanotube

(ภาพจาก วารสาร Nano Letters)

ภาพ a) แสดงการบีบตัวของ carbon nanotube (ศักย์ไฟฟ้ามีค่าเป็น 0)

ภาพ b) แสดงการขยายตัวของ carbon nanotube เดิมหลังจากการบีบและขยายตัวสลับกัน 3 รอบ (ศักย์ไฟฟ้ามีค่าเป็น 3 โวลต์)

ภาพ c) เป็นภาพวาดจำลองหน้าตัดของ nanotube ก่อนและหลังการให้ศักย์ไฟฟ้า และแสดงการกระจายตัวของประจุเมื่อ nanotube มีการบีบตัวและขยายตัว

ส่วนภาพ d) และ e) เป็นภาพขยายใหญ่ขึ้นของปลายด้านซ้ายและขวาของภาพ a) ซึ่ง Detail 1 และ Detail 2 ขยายจากวงกลมที่ 1 และวงกลมที่ 2 ตามลำดับ โดยในภาพ a) และ b) แถบสเกลมีค่าเป็น 50 นาโนเมตร ส่วนภาพ d) และ e) แถบสเกลมีค่าเป็น 10 นาโนเมตร

ในการควบคุม carbon nanotube ให้บีบตัวหรือขยายออกได้โดยใช้ศักย์ไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย ไม่มีการสูญเสียประสิทธิภาพในการทำงาน ซึ่งนักวิจัยได้แสดงการบีบตัวและขยายตัวของ carbon nanotube หลาย ๆ รอบ แต่ไม่มีสัญญาณว่าจะอ่อนกำลังลงเลย

Hamid Reza Barzegar นักฟิสิกส์ที่ Umeå University หนึ่งในผู้วิจัยเรื่องนี้ได้กล่าวว่า งานวิจัยนี้มีความน่าสนใจและทำให้เข้าใจกลไกการควบคุมการเคลื่อนที่ในระดับนาโนโดยใช้ตัวกระตุ้นจากภายนอก และทำให้รู้ลึกเกี่ยวกับรากฐานทางฟิสิกส์ เช่น ผลจากความจุประจุและแรงไฟฟ้าสถิตสามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของโครงสร้างโมเลกุลได้

และ Thomas Wågberg รองศาสตรจารย์ ด้านฟิสิกส์ ที่Umeå Universityยังกล่าวอีกด้วยว่า ในอนาคตข้างหน้า การค้นพบนี้อาจถูกนำไปใช้ในการควบคุมแบบนิวแมติกส์ (pneumatic control) ในระดับโมเลกุล หรืออาจจะใช้ในการขนส่งยาไปรักษาในอวัยวะภายในหรือเนื้องอกได้ตรงจุด

เรียบเรียงโดย

นราภรณ์ ตั้งหทัยทิพย์

อ้างอิง

https://www.sciencedaily.com/releases/2016/10/161013160408.htm

Hamid Reza Barzegar, Aiming Yan, Sinisa Coh, Eduardo Gracia-Espino, Gabriel Dunn, Thomas Wågberg, Steven G. Louie, Marvin L. Cohen, Alex Zettl. Electrostatically Driven Nanoballoon Actuator. Nano Letters, 2016; DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02394