 |
<script language="JavaScript" src="http://www.vcharkarn.com/javafeed/article/324" type="text/javascript"></script> |
|
ไขปริศนา
นาโนเทคโนโลยี
บทความนี้เปรียบเหมือนคัมภีร์ฉบับสมบูรณ์ ไขทุกปริศนานาโนเทคโนโลยี ที่วิชาการ.คอม อยากแนะนำให้อ่าน - ทำไมสมบัติต่างๆของวัสดุที่เราคุ้นเคย เปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิงเมื่อวัสดุเป็นระดับนาโน ? รวมทั้งอะไรเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดปรากฎการณ์อันแปลกประหลาดต่างๆ
post ครั้งแรก: Fri 14 April 2006, 10:27 am ปรับปรุงล่าสุด: Fri 14 April 2006, 10:27 am
|
หน้าที่ 1 - นาโนเทคโนโลยีคืออะไร?
ดร. ณัฐพันธุ์ ศุภกา
ฝ่ายถ่ายทอดเทคโนโลยีและวิชาการ
ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ
นักเขียนประจำ วิชาการ.คอม
ทุกวันนี้มีคำถามมากมายเหลือเกินว่านาโนเทคโนโลยีคืออะไร? ทำไมถึงได้มีความสำคัญมากนัก? และทำไมสมบัติต่างๆ ของวัสดุที่เราคุ้นเคย จึงได้เปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิงเมื่อวัสดุมีขนาดเล็กในระดับนาโน ? รวมทั้งอะไรเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดปรากฎการณ์อันแปลกประหลาดต่างๆที่ไม่เคยพบมาก่อนในวัสดุที่มีขนาดใหญ่ เช่น การที่อนุภาคทองนาโนมีสีแดงหรือสีม่วงแทนที่จะเป็นสีเหลือง การที่อนุภาคเงินนาโนกลับกลายเป็นฉนวนไฟฟ้าทั้งที่ปกติเงินเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีมาก การที่อนุภาคนาโนของโลหะเฉื่อยบางชนิดกลับสามารถเร่งปฏิกิริยาเคมีได้อย่างว่องไว หรือการที่วัสดุนาโนมีความแข็งแรงเหนือกว่าวัสดุขนาดใหญ่ ฯลฯ
บทความนี้จะนำไปสู่การไขปริศนาต่างๆโดยการอาศัยความรู้ความเข้าใจทางด้านนาโนศาสตร์ (nanoscience) และนาโนเทคโนโลยีที่มีอยู่ในขณะนี้เป็นแนวทางในการค้นหาคำตอบ
นาโนเทคโนโลยีคืออะไร ?
ความหมายของนาโนเทคโนโลยี (nanotechnology) ที่ถูกนิยามขึ้นโดยมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (National Science Foundation, NSF) ของสหรัฐอเมริกามีอยู่ 3 มุมมองด้วยกันคือ
1. การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีในระดับอะตอม โมเลกุล หรือโมเลกุลมหภาค (macromolecule) ที่มีขนาดเล็กในช่วง 1 ถึง 100 นาโนเมตร
2. การสร้างและการใช้ประโยชน์จากโครงสร้าง อุปกรณ์ หรือระบบต่างๆ ที่มีสมบัติและหน้าที่ใหม่ๆเกิดขึ้นอันเนื่องมาจากความเล็กในระดับนาโน (nanoscale) ของสิ่งนั้นๆ
3. ความสามารถในการควบคุมและจัดการได้อย่างถูกต้องและแม่นยำในระดับอะตอม
ดังนั้นความหมายโดยรวมของนาโนเทคโนโลยี ก็คือ การจัดการ การสร้าง การสังเคราะห์วัสดุ อุปกรณ์และระบบต่างๆ ที่มีขนาดเล็กอยู่ในช่วง 1 ถึง 100 นาโนเมตร ด้วยความถูกต้องและแม่นยำ ซึ่งจะส่งผลให้วัสดุหรืออุปกรณ์ต่างๆมี สมบัติที่พิเศษขึ้น ทำให้เกิดประโยชน์ ต่อผู้ใช้สอยและเพิ่มมูลค่าทางเศรษฐกิจได้
ระดับนาโน (nanoscale) สำคัญอย่างไร ?
"ที่ความเล็กระดับนาโนเมตร เราจะค้นพบแรงชนิดใหม่ๆ ปรากฏการณ์ใหม่ๆ และความเป็นไปได้รูปแบบใหม่ๆ"
ข้อความดังกล่าวเป็นคำพูดของ ริชาร์ด ฟายน์แมน (Richard Feynman) ซึ่งเป็นบุคคลที่ได้รับการยกย่อง ให้เป็นบิดาของนาโนเทคโนโลยี ซึ่งเขาได้กล่าวไว้ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1959 ระหว่างการบรรยายทางวิชาการอันโด่งดัง เรื่อง "Theres Plenty of Room at the Bottom" ณ สมาคมฟิสิกส์ สหรัฐอเมริกา จากคำพูดของฟายน์แมนดังกล่าว ทำให้เห็นอย่างชัดเจนว่าความสำคัญของนาโนศาสตร์ และนาโนเทคโนโลยี ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแค่ การที่เราสามารถสร้างสิ่งต่างๆ ที่มีขนาดเล็กในระดับนาโนเมตร ได้อย่างถูกต้องและแม่นยำเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการที่เราสามารถนำสมบัติใหม่ๆ และปรากฏการณ์ใหม่ๆ ที่เกิดขึ้นเฉพาะในระดับนาโนเท่านั้น มาใช้ให้เป็นประโยชน์ได้อีกด้วย โดยปัจจัยสำคัญที่ทำให้วัสดุ อุปกรณ์และระบบที่มีขนาดในระดับนาโน (1-100 นาโนเมตร) มีสมบัติทางไฟฟ้า สมบัติทางแม่เหล็ก สมบัติเชิงแสง สมบัติเชิงกล และสมบัติเชิงเคมีแตกต่างไปจากวัสดุชนิดเดียวกันที่มีขนาดใหญ่กว่าเกิดจากสาเหตุดังต่อไปนี้
มิติทางกายภาพถูกจำกัดขนาด
วัสดุหรือโครงสร้างที่มีขนาดในระดับนาโน ถูกจัดว่าเป็นโครงสร้างที่มีระบบมิติต่ำ (Low-dimensional systems, LDSs) ทั้งนี้เนื่องจากมิติทางกายภาพ (กว้าง ยาว และสูง) ของวัสดุ หรือโครงสร้างนาโน อย่างน้อยหนึ่งมิติ จะถูกจำกัดขนาดอยู่ในช่วง 1 ถึง100 นาโนเมตรเท่านั้น
ซึ่งจะทำให้ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ภายในวัสดุหรือโครงสร้างนาโน แตกต่าง ไปจากวัสดุแบบก้อนใหญ่ (bulk materials) โดยที่สามารถใช้ LDSs ในการแบ่งวัสดุและโครงสร้างนาโนออกเป็นกลุ่มๆ ดังนี้
1. ระบบศูนย์มิติ (zero-dimensional (OD) systems) คือวัสดุหรือโครงสร้างที่มีมิติทางกายภาพทั้งสามมิติถูกจำกัดอยู่ในช่วงนาโนเมตร เช่น กลุ่มก้อนของโลหะที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในระดับนาโนเมตรซึ่งวางอยู่บนชั้นกราไฟต์
2. ระบบหนึ่งมิติ (one-dimensional (1D) systems) คือวัสดุหรือโครงสร้างที่มีมิติทางกายภาพสองมิติถูกจำกัดอยู่ในช่วงนาโนเมตรแต่มิติที่เหลืออีกหนึ่งมิติไม่ถูกจำกัดขนาด ยกตัวอย่างเช่น ลวดนาโน (nanowires) หรือท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotubes) ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในระดับนาโนเมตรแต่มีความยาวของท่ออยู่ในระดับไมโครเมตรหรือมิลลิเมตร เป็นต้น
3. ระบบสองมิติ (two-dimensional (2D) systems) คือวัสดุหรือโครงสร้างที่มีมิติทางกายภาพหนึ่งมิติถูกจำกัดอยู่ในช่วงนาโนเมตรแต่มิติที่เหลืออีกสองมิติไม่ถูกจำกัดขนาด ยกตัวอย่างเช่น ฟิล์มบางในระดับนาโน (nano-thin film) ที่เกิดจากการประกอบตัวเองของอะตอมหรือโมเลกุล เป็นต้น
วัสดุหรือโครงสร้างที่มีระบบมิติต่ำ จะมีสภาวะอิเล็กทรอนิกส์ที่มีลักษณะไม่ต่อเนื่อง แต่จะมีค่าได้อย่างจำเพาะเท่านั้น ลักษณะเช่นนี้เรียกว่า ควอนไทเซชัน (quantization) การเกิดควอนไทเซชัน ของสภาวะอิเล็กทรอนิกส์ จะนำไปสู่การเกิดสมบัติใหม่ๆ และปรากฏการณ์ใหม่ๆ เช่น การแสดงผลของปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่ถูกกักขังไว้ (quantum confinement effects) อิทธิพลอิเล็กตรอนเดี่ยว (single electron effect) การปิดกั้นแรงระหว่างประจุไฟฟ้า (Coulomb blockade) การกักขังเอ็กซิตอน (exciton confinement) ปรากฎการณ์การขยับเคลื่อนของสเปกตรัม (spectrum shift) ควอนไทเซชันของโฟนอน (phonon quantization) เป็นต้น
รูปแสดงความสัมพันธ์ระหว่างระดับพลังงานกับความหนาแน่นของสถานะ (density of states, DOS) อิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุต่างๆที่มีการเปลี่ยนแปลง ไปตามการลดขนาดมิติใดมิติหนึ่งของวัสดุให้มีขนาดอยู่ในระดับนาโน ยกตัวอย่างเช่น หมุดควอนตัม (quantum dot)ซึ่งเป็นวัสดุนาโนที่มีมิติทางกายภาพ ทั้งสามมิติอยู่ในระดับนาโนจะมีลักษณะความหนาแน่น ของสถานะอิเล็กทรอนิกส์แยกออกจากกันเป็นชั้นๆ อย่างชัดเจนคล้ายกับลักษณะที่พบในอะตอม ซึ่งแตกต่างไปจากวัสดุชนิดเดียวกันที่มีขนาดใหญ่อย่างสิ้นเชิง
*หมายเหตุ
งานเขียนชิ้นนี้ ได้รับการคุ้มครองสิทธิตามพระราชบัญญัติคุ้มครองสิทธิทางปัญญา โดยลิขสิทธิเป็นของผู้เขียน ที่ให้เกียรตินำเผยแพร่ผ่าน วิชาการ.คอม เรามีความยินดีและอนุญาตให้ทำซ้ำหรือเผยแพร่ต่อเพื่อประโยชน์ทางการศึกษาเท่านั้น กรุณาให้เกียรติผู้เขียน โดยอ้างชื่อผู้เขียนและ วิชาการ.คอม (www.vcharkarn.com) ทุกครั้งที่ทำการเผยแพร่ต่อ ห้ามนำส่วนหนึ่งส่วนใดไปเผยแพร่ต่อในสื่อที่เอื้อประโยชน์ทางธุรกิจก่อนได้รับอนุญาต ขอขอบคุณที่ร่วมกันช่วยสร้างให้สังคมไทยเป็นสังคมแห่งปัญญา
จำนวน 25 ความเห็น, หน้า่ |
1| -
2-
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 7 6 มี.ค. 2549 (00:02) นาสนจัยมากเลยนะคับ เมื่อไหร่ประเทศไทยจาให้ความสำคัญกับการค้นคว้า ทดลองกันจิงๆ จังๆ ซะทีเนี่ย ยังงี้แหละถึงไม่เจริญกันซะที เฮ้อ คิดแล้วกลุ้ม ยังงี้แหละคนเก่งๆ หลายคนถึงไปเรียนหมอกันหมด ไม่มาเปนนักวิจัย
ประเทศที่เค้าเจริญ เค้าใช้งบประมาณศึกษาทางนาโนเทคมากกว่าประเทศไทยหลายเท่าเลย แล้วยังงี้มานจาไหวเหรอคับจ้าวนายยยยยยยยย
มีครายมีข้อมูลเกี่ยวกะวิดวะนาโนมะคับ ผมสนจัยอยู่ กะจาสมัครไม่รุจาติดป่าว แล้วก้อไม่รุจาเรียนป่าวด้วย อนาคตมันจะดีมั้ยอ่ะคับ หมายถึงอนาคตในไทยด้วยอ่ะคับ(ตอนนี้ผมติดหมอ มช. แล้วอ่ะ)
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 8 7 มี.ค. 2549 (18:50) อ่า เรื่อง อิเล็กตรอนทันเนลลิ่งอ่ะครับ
คือผมสงสัยอย่างนึง
ถ้า อิเล็กตรอนที่เป็นคลื่นเนี่ย
ต้องมีความถี่คงที่ค่านึงใช่ไหมครับ
ทีนี้
พอมันผ่านผนังไปเนี่ย
ความถี่มานต้องเปลี่ยนแปลง
แล้วพลังงานมันก็จะเปลี่ยนไปด้วยใช่ไหมครับ
ถ้าพลังงานเปลี่ยนไปเนี่ย จะมีผลถึงมวลของมันไหมครับ
- -" ถามเอง งงเอง
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 9 8 มี.ค. 2549 (13:45) เมื่อวานไปซื้อหนังสือเกี่ยวกับนาโนเทคโนโลยีมาอ่ะค่ะ อ่านดูแล้วก้องงๆไอ้เรื่องเทคนิคการจัดวางอะตอมในของเหลวน่ะค่ะ ที่เค้าบอกว่าต้องควบคุมให้มีโมเลกุลเพียงชั้นเดียวเท่านั้นที่กระจายอยู่ที่ผิวน้ำและเมื่อยกฐานรองขึ้นจากน้ำจะต้องมีกลไกควบคุมการกวาดชั้นโมเลกุลบนผิวน้ำเพื่อให้ติดกับแผ่นฐานรองในอัตราที่พอเหมาะกับการยกแผ่นฐานรอง ตรงนี้มันหมายความว่าไงเหรอคะ ใครมีความรู้เรื่องนี้ช่วยตอบหน่อยนะคะ สงสัยอย่างแรง
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 10 10 มี.ค. 2549 (22:59) สุดยอดไปเลย จะรออ่านบทความต่อไปและขออนุญาต Print เก็บไว้ศึกษาครับ
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 11 14 มี.ค. 2549 (11:21) ที่จริงก็ติดตามข่าวนาโนมานานแล้วก็ยังไม่บรรลุเท่าไหร่ เพราะเราสมองเล็ก แต่ก็จะพยายามติดตามต่อไปค่ะ ยกย่องคนที่ค้นพบและศึกษานาโนเทคโนโลยีทุกคน ...
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 12 16 มี.ค. 2549 (00:53) Think!!
Consider a hypothetical semiconductor with bandgab 1 eV ,with relative electron mass 0.05,and relative hole mass 0.5. In a cube-shaped quantum dot of this material with L = 3 nm, find the energy of transition of electron from the (211) electron state to the (111) hole state. (This transition energy must include the bandgab energy, and the additional energy is referred to as the blue shift of the fluorescent emission by thequantum size effect.) Note that the blue shift can be turned by adjusting the particle size, L.
Why cannot a filled band provide electrical conductivity?
Why can effective mass in a solid differ from the mass of electron in vacuum?
Why does a hole have a charge of +e,and a mass equal to the mass of the valence band electron that moves into the vacant site?
%-)
ร่วมแบ่งปันความรู้และความเห็นแล้ว 115 ครั้ง - ได้รับดาวแล้ว 152 ดวง - โหวตเพิ่มดาว
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 13 19 มี.ค. 2549 (17:26) คือผมมีเรื่องไม่เข้าใจน่ะครับคุณ %-) (เอ่อ เรียกยากแฮะ :-) )
คือผมอ่านความเห็นของคุณแล้วยังไม่เข้าใจที่คุณบอกตรงย่อหน้าแรกน่ะครับ
Consider a hypothetical semiconductor with bandgab 1 eV ,with relative electron mass 0.05,and relative hole mass 0.5. In a cube-shaped quantum dot of this material with L = 3 nm, find the energy of transition of electron from the (211) electron state to the (111) hole state. (This transition energy must include the bandgab energy, and the additional energy is referred to as the blue shift of the fluorescent emission by thequantum size effect.) Note that the blue shift can be turned by adjusting the particle size, L.
ช่วยขยายความหน่อยได้ไหมครับ เพื่อความเข้าใจ แล้วก็เผื่อคนอื่น(เช่นผมเป็นต้น) ที่พื้นความรู้ไม่แน่น จะได้เข้าใจว่า ตรงนั้นมันบอกอะไร เพราะผมอ่านแล้วยังจับความไม่ได้เลยครับว่ามันบอกถึงอะไร (คือปกติผมแย่เรื่องอ่านจับใจความอยู่แล้วน่ะครับ :_( )
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 14 20 มี.ค. 2549 (11:26) แหม ขอโทษครับ พอจะเข้าใจแล้ว คื่อคุณจะถามคำถามสินะครับ(ใช่ไหมเนี่ย) คือผมอ่อนภาษาน่ะครับ เพิ่งเข้าใจว่าถาม น่าอายจัง :_(
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 16 28 เม.ย. 2549 (14:19) เป็นเรื่องที่นักวิจัยหลายสาขาให้ความสนใจกันมากครับ เป็นประโยชน์มาก
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 17 5 พ.ค. 2549 (09:46) เยี่ยม...
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 18 7 พ.ค. 2549 (14:50) อ่านแล้วยังงงอ่ะ มีวิธีอธิบายให้เข้าใจง่ายๆ กว่านี้มั้ย พื้นฐานความรู้ไม่มากน่ะคะ
อยากรู้เหมือนกัน
c_cin
ร่วมแบ่งปันความรู้และความเห็นแล้ว 487 ครั้ง - ได้รับดาวแล้ว 157 ดวง - โหวตเพิ่มดาว
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 19 15 พ.ค. 2549 (08:00) สังสัยมานานแล้วเหมือนกันค่ะว่ามันคืออะไรกันแน่ ขอบคุณนะคะที่เขียนบทความนี้ขึ้น
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 20 19 พ.ค. 2549 (14:24) ยอมรับครับว่าสุดยอดจริง ๆ ตอนเรียนยังไม่กว้างขนาดนี้เลยครับ ... น่าเรียนต่อด้านนี้จังเลย
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 21 22 พ.ค. 2549 (06:33) เขียนได้เยอะมากเลยครับ ครอบคลุมหลายๆด้านมาก
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 24 12 ม.ค. 2550 (22:55) นาโนเกี่ยวข้องกับการโคลนนิ่งหรือป่าวคับ ?
Nop1993 (IP:203.113.76.73)
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 25 5 ก.พ. 2550 (14:58) แนวโน้มของนาโนเทคโนโลยีคืออะไร
และเทคโนโลยีพลังงานความ หลักการ และแนวโน้มคืออะไร
ช่วยตอบคำถาให้ด้วยด่วนเลยนะคะ ต้องการทราบมาก
หรือไม่ก็ช่วยส่งไปรษณีย์มาให้ก็ได้นะคะ
200/102 ม 4 ต ศรีสุนทร อ ถลาง จ ภูเก็ต 83110
ต้องการทำรายงานแต่หาไม่ได้ขอความช่วยเหลือหน่อยก็แล้วกัน
tip_oston@chaiyo.com (IP:202.142.210.138)
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 26 7 มิ.ย. 2550 (17:28) ขอบคุณค่ะ ที่อธิบายเรื่องที่เข้าใจยากให้เข้าใจง่ายขึ้น
ขอเก็บไว้เป็นฐานข้อมูลนะคะ
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 28 25 ม.ค. 2551 (00:13) มีแต่เรื่องที่พัฒนาในด้านดี เมื่อมีด้านดีต้องคู่กับด้าน
อยากให้ผู้เขียนอธิบายถึงด้านลบบ้างได้ใหมค่ะ