<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
|
ดร. ณัฐพันธุ์ ศุภกา
ฝ่ายถ่ายทอดเทคโนโลยีและวิชาการ
ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ
นักเขียนประจำ: วิชาการ.คอม
พื้นที่ผิวหน้าที่แปลกประหลาดและความว่องไวในการปฏิกิริยาเคมี
วัสดุที่มีขนาดในระดับนาโนเมตร จะมีอัตราส่วนระหว่างพื้นที่ผิวต่อปริมาตร (surface-to-volume) สูงมาก เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุชนิดเดียวกัน ที่มีขนาดใหญ่กว่า ยกตัวอย่างเช่น อนุภาคทองคำที่มีขนาด 2 นาโนเมตรจะมีพื้นที่ผิวสูงถึง 150 ตารางเมตรต่อกรัมเลยทีเดียว
ภาพแสดงการประมาณจำนวนอะตอมและพื้นที่ผิวของอนุภาคทองคำนาโนที่มีขนาดแตกต่างกันสัดส่วนของอะตอมผิวหน้า จะเพิ่มมากขึ้นเมื่ออนุภาคมีขนาดเล็กลง ยกตัวอย่างเช่น อนุภาคนาโนที่มีขนาด 3 นาโนเมตร จะมีจำนวนอะตอมอยู่บริเวณผิวหน้า ประมาณร้อยละ 45 แต่เมื่ออนุภาคมีขนาดเล็กลงเหลือ 1 นาโนเมตร จะมีจำนวนอะตอมผิวหน้า เพิ่มขึ้นเป็นร้อยละ 76 ซึ่งจากการที่วัสดุนาโน มีอะตอมจำนวนมาก อยู่ที่บริเวณผิวหน้า จะส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาเคมีบนพื้นผิวหน้าวัสดุได้ง่าย และยังเป็นการส่งเสริม ให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆ อันเนื่องมาจากอิทธิพลของเคมีผิวหน้า ประโยชน์ที่ได้จากการเพิ่มปริมาณพื้นที่ผิว ของอนุภาคนาโน ที่เห็นได้อย่างชัดเจนคือ การนำไปใช้ในการเร่งปฏิกิริยาเคมี และการใช้เป็นตัวกรองแบบพิเศษ

การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมีของวัสดุ เมื่อวัสดุมีปริมาณอะตอมผิวหน้ามากขึ้น อาจมีสาเหตุมา จากอิทธิพลอิเล็กทรอนิกส์และและอิทธิพลสเตอริก (electronic and steric effects) โดยที่อิทธิพลอิเล็กทรอนิกส์ (electronic effect) จะเกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของอิเล็กตรอน ที่บริเวณศูนย์กลางปฏิกิริยา (reaction center) เช่นการเกิดประจุบวกหรือประจุลบขึ้น ส่วนอิทธิพลสเตอริก (steric effect) จะเกี่ยวข้องกับลักษณะ รูปร่าง และความเกะกะภายในโครงสร้าง
นาโนเทคโนโลยี เกี่ยวข้องกับการประกอบอะตอม หรือโมเลกุล ให้กลายเป็นโครงสร้างสังเคราะห์ ที่เล็กในระดับนาโนเมตร (nanostructures) ซึ่งโครงสร้างดังกล่าวนี้ มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาเคมีต่างๆ มาก โดยเฉพาะการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น ยกตัวอย่างเช่น ในกรณีของสารโลหะบางชนิด ซึ่งปกติแล้วมักจะมีชั้นผิวนอกสุด เป็นสารประกอบออกไซด์ ที่มีความหนาอย่างน้อยหลายไมโครเมตร ดังนั้นถ้านำสารโลหะชนิดเดียวกันนี้ มาสังเคราะห์เป็นโครงสร้างในระดับนาโนเมตร ก็จะทำให้โครงสร้างนาโนของโลหะชนิดนี้ เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นทั้งโครงสร้าง ดังนั้นจึงไม่มีปัญหา ในการนำอนุภาคนาโน หรือฟิล์มบางนาโน ที่เป็นสารประกอบออกไซด์หรือซิลิเกต ไปใช้ประโยชน์ เพราะว่าทุกส่วนของโครงสร้างนาโนเหล่านี้ ล้วนแล้วแต่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ในอากาศไปเรียบร้อยแล้วทั้งสิ้น
ตัวอย่างการนำโครงสร้างนาโน ที่เป็นสารประกอบออกไซด์ไปใช้ประโยชน์ได้แก่ การใช้เป็นส่วนผสมของครีมกันแดด
(ZnO, TiO2) ใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับอุตสาหกรรมแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอน ใช้เป็นฟิลเลอร์ (filler) สำหรับพอลิเมอร์ และใช้เคลือบผิวหน้าของวัสดุต่างๆให้กลายเป็นวัสดุทำความสะอาดตัวเอง เป็นต้น
แต่ในทางกลับกัน ถ้าต้องการให้โครงสร้างนาโนเหล่านี้สามารถนำไฟฟ้าได้ หรือต้องการนำโครงสร้างนาโน ไปเชื่อมติดกับโมเลกุลสารอินทรีย์ที่ซับซ้อนชนิดต่างๆ ก็จำเป็นต้องหาวิธีการที่ป้องกัน ไม่ให้ผิวหน้าของโครงสร้างนาโนเหล่านี้ เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น ยกตัวอย่างเช่นการปกป้องผิวหน้า ของโครงสร้างนาโนที่เป็นสารประกอบซิลิเกต ด้วยการเคลือบด้วยฟิล์มที่เป็นชั้นโมเลกุลไฮโดรเจน
ความสามารถในการละลายดีขึ้น
เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่า ผลึกที่มีขนาดเล็กในระดับนาโนเมตร จะมีความสามารถในการละลายสูงกว่าผลึกที่มีขนาดใหญ่ โดยที่ความสัมพันธ์ ระหว่างความสามารถในการละลาย กับขนาดของวัสดุ ได้แสดงไว้ในสมการ ที่ดัดแปลงมาจากสมการเคลวิน (Kelvin equation) คือ
โดยที่ค่า S/S0 คืออัตราส่วน ระหว่างการละลาย ของอนุภาคกับการละลายของวัสดุแบบก้อนใหญ่, G คือแรงตึงผิว, V คือปริมาตรในหน่วยโมลาร์, r คือรัศมีของอนุภาค, R คือค่าคงที่ของก๊าซ และ T คืออุณหภูมิห้อง (K)
ยกตัวอย่างเช่น อนุภาคควอตซ์ที่มีรัศมีประมาณ 100 นาโนเมตร จะมีค่าการละลายใกล้เคียงกับควอตซ์แบบก้อนใหญ่ (bulk quartz) แต่อนุภาคควอตซ์ที่มีรัศมี 1 นาโนเมตรจะมีค่าการละลายสูงกว่าควอตซ์ปกติเกือบ 1,000 เท่า

จุดหลอมเหลวที่เปลี่ยนไปจากเดิม
จุดหลอมเหลว (melting point) ของทองคำแบบก้อนใหญ่คือ 1,064 องศาเซลเซียส แต่อนุภาคนาโนทองคำ ที่มีขนาดเท่ากับ 5, 2 และ 1 นาโนเมตร จะมีจุดหลอมเหลวลดลง เหลือแค่ประมาณ 830, 350 และ 200 องศาเซลเซียส ตามลำดับ! หรือแคดเมียมซัลไฟด์ (CdS) ที่มีขนาดผลึก ในระดับนาโนเมตร จะมีจุดหลอมเหลว ต่ำกว่าแคดเมียมซัลไฟด์ แบบก้อนใหญ่ โดยเมื่อขนาดผลึกยิ่งเล็กลง ก็ยิ่งทำให้จุดหลอมเหลว ของแคดเมียมซัลไฟด์ต่ำลงไปด้วย
ส่วนสาเหตุที่อาจทำให้อนุภาคนาโนของโลหะ มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าปกติ เกิดจากอนุภาคนาโน มีปริมาณอะตอมผิวหน้ามาก โดยที่อะตอมผิวหน้า จะมีระดับพลังงานที่ใช้ในการยึดติดกันและกัน น้อยกว่าที่พบในของแข็งปกติ และจากอิทธิพลเคลวิน (Kelvin effect) จะพบว่าอนุภาคนาโนจะมีความดันไอสูงขึ้นซึ่งจะทำให้ระเหยได้ง่ายขึ้น

สมบัติเชิงกลที่เปลี่ยนไปจากเดิม
วัสดุประเภทโลหะและเซรามิก ที่มีเกรนในระดับนาโนเมตร (nanoscale grain) จะมีความแข็งแรง (strength) และความทนทานต่อการแตกหัก (toughness) สูงมากกว่าวัสดุชนิดเดียวกันที่มีเกรนในระดับไมโครเมตร โดยโลหะที่มีโครงสร้างผลึกในระดับนาโน (nanocrystalline metals) จะมีความแข็งแรงและความแข็ง (hardness) สูงกว่าโลหะที่มีขนาดผลึกใหญ่ และมีสมบัติในการต้านทานกระแสไฟมากขึ้น มีความจุความร้อนเฉพาะมากขึ้น และสามารถขยายตัวได้ดีขึ้น ยกตัวอย่างเช่น โลหะทองแดง ที่มีเกรนในระดับนาโนเมตร จะมีความแข็งสูงกว่าทองแดงปกติถึง 5 เท่า หรือในกรณีของโลหะ ที่มีความเหนียว อย่างอะลูมิเนียม ก็สามารถเพิ่มความแข็งแรง ให้มากขึ้นได้เมื่อลดขนาดเกรน ให้เล็กลงอยู่ในระดับนาโนเมตร

เซรามิกและสารประกอบออกไซด์ ของโลหะ ที่มีโครงสร้างผลึกในระดับนาโนเมตร จะมีความเหนียว (ductility) มากขึ้น และมีความทนทานต่อการแตกหักดีขึ้น ซึ่งจะทำให้เซรามิก สามารถยืดตัว หรือแปรรูปได้มากขึ้น ก่อนที่จะเกิดการแตกหักหรือขาดออกจากกัน นอกจากนี้ เซรามิกที่มีเกรนระดับนาโนเมตร ยังมีความเปราะลดลง มีความสามารถ ในการสร้างพันธะเคมีกับโลหะได้ดีขึ้น และพบว่า เซรามิกที่มีโครงสร้างผลึก ในระดับนาโนเมตร จะมีสมบัติที่เรียกว่า ซูเปอร์พลาสติก (superplasticity) ที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งจะทำให้เซรามิก สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่าง อย่างถาวรได้ดีขึ้น และสามารถผลิตเป็นชิ้นงาน ที่มีความซับซ้อนได้ ณ อุณหภูมิต่ำ ยกตัวอย่างเช่น เซรามิกที่สังเคราะห์ขึ้น จากอนุภาคนาโนของไททาเนียมไดออกไซด์ ไม่เพียงแค่ใช้อุณหภูมิ ในการเผาที่ต่ำกว่าปกติ แต่ยังมีความแข็งแรง และความทนทาน ต่อการแตกหักสูงกว่าเซรามิกปกติด้วย

สำหรับสาเหตุ ที่ทำให้โลหะและเซรามิก ที่มีเกรนในระดับนาโนเมตร มีสมบัติเชิงกลดีขึ้นนั้น อาจเกิดจากการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ บริเวณขอบเกรน (grain boundary area) ทั้งนี้ เนื่องจากว่าวัสดุโดยทั่วไป จะมีสัดส่วนของอะตอม อยู่ที่บริเวณขอบเกรนน้อยมาก แต่วัสดุที่มีขนาดเกรนอยู่ในระดับนาโนเมตร จะมีสัดส่วนของอะตอมอยู่ที่บริเวณขอบเกรนสูง จึงทำให้วัสดุที่มีขนาดเกรนในระดับนาโน มีสมบัติเชิงกลแตกต่างไป จากวัสดุที่มีเกรนขนาดใหญ่กว่า เช่น การมีลักษณะการแพร่ ของมวลสารในบริเวณขอบเกรน ที่แตกต่างไปจากวัสดุที่มีเกรนขนาดใหญ่ หรือในกรณีของโลหะ ที่มีเกรนในระดับนาโนเมตรนั้น จะพบว่าขนาดเกรนของโลหะมีความเล็ก เกินไปกว่าที่จะทำให้เกิดความบกพร่อง ของโครงสร้างผลึก ที่เรียกว่าการเปลี่ยนรูปแบบดิสโลเคชัน (dislocation) ซึ่งเป็นข้อบกพร่องชนิดหนึ่ง ที่พบในโลหะที่มีเกรนขนาดใหญ่ นอกจากนี้ในงานวิจัยบางชิ้น ยังได้รายงานว่าโลหะที่มีเกรนในระดับนาโนเมตร จะเกิดการเปลี่ยนรูป
(deformation) ได้จากการที่เกรน แต่เกรนถูกแรงกระทำ จากภายนอกบีบหรือรีดให้แยกออกจากกัน ในขณะที่ไม่มีการเปลี่ยนรูปที่เกิดขึ้นจากการบิดเบี้ยว (distortion) ภายในเกรน


Copyright© 2000-2007, Vcharkarn.Com. All rights reserved.
|
คลิ๊กเพื่อดูสถิติ รับรองและสนับสนุนโดย |
![]() สสวท. |
![]() มูลนิธิ พสวท. |
![]() พสวท. |