<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 ผู้เขียน: ดร. ณัฐพันธุ์ ศุภกา ชมแล้ว: 129,877 ครั้ง post ครั้งแรก: Fri 14 April 2006, 10:27 am ปรับปรุงล่าสุด: Fri 14 April 2006, 10:27 am อยู่ในส่วน: เทคโนโลยี, นาโนเทคโนโลยี

ดร. ณัฐพันธุ์ ศุภกา

ฝ่ายถ่ายทอดเทคโนโลยีและวิชาการ

ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ

Main Contributor: วิชาการ.คอม

นาโนอิเล็กทรอนิกส์แบบสถานะของแข็ง (Solid-state quantum effect nanoelectronic devices) นาโนอิเล็กทรอนิกส์แบบสถานะของแข็ง เป็นนาโนคอมพิวเตอร์รูปแบบหนึ่ง ที่อาศัยสถานะทางควอนตัม ของสารกึ่งตัวนำ หรือสารประกอบโลหะ ที่ใช้ประกอบวงจร มาใช้ในการควบคุมการทำงาน ของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งมีหลักการกว้างๆ คือ การเริ่มต้นให้อิเล็กตรอน ที่อยู่อีกด้านหนึ่งของวงจร กระโดดข้ามตัวกีดขวาง หรือกำแพงศักย์ ซึ่งเป็นฉนวนไฟฟ้า หรือเป็นช่องว่าง ไปยังบริเวณ “เกาะ (island)” เล็กๆ ที่เป็นสารกึ่งตัวนำ หรือสารประกอบโลหะออกไซด์ ก่อนที่อิเล็กตรอนที่อยู่บนเกาะ จะกระโดดข้ามสิ่งกีดขวาง ต่อไปยังอีกด้านหนึ่งของวงจร ซึ่งมีหลักการคล้ายๆ กับการทำงานของวงจร MOS-FET ที่มีการเคลื่อนที่จากซอส (source) ผ่านเกท (gate) ไปยังเดรน (drain) นั่นเอง



นาโนคอมพิวเตอร์รูปแบบนี้ จะสามารถย่อขนาดของวงจรในปัจจุบัน ให้เล็กลงไปได้อีกมาก โดยที่อาจมีวงจรเล็กแค่เพียง 5 ถึง 10 นาโนเมตร เท่านั้น ซึ่งจะทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มีความเร็วมากขึ้น กินไฟน้อยลง และทำงานได้หลากหลายขึ้น โดยทั่วไปแล้ว นาโนอิเล็กทรอนิกส์ แบบสถานะของแข็ง จะสามารถแบ่งออกเป็นกลุ่มย่อยลงไปได้อีก ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของส่วนประกอบ และรูปร่างและขนาดของ “เกาะ” ที่นำมาใช้ดังนี้ คือ

- เรโซแนนท์ทัลเนลลิ่ง (Resonant tunneling devices หรือ RTDs)

- หมุดควอนตัม (Quantum dots หรือ ODs)

- ทรานซิสเตอร์แบบอิเล็กตรอนเดี่ยว (Single-electron transistors หรือ SETs)

เรื่องราวเกี่ยวกับนาโนคอมพิวเตอร์ สามารถอ่านหาเพิ่มเติม ได้จากวารสาร สาร NECTEC (2547) ปีที่ 11 ฉบับ 60 หน้า 6-14

หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg’s Uncertainty Principle)

ครั้งหนึ่งนักฟิสิกส์เคยเชื่อกันว่า ถ้าอุปกรณ์ ที่ใช้ในการตรวจวัด มีประสิทธิภาพสูงขึ้นมากเท่าไหร่ ก็จะยิ่งทำให้สามารถ ระบุตำแหน่งและโมเมนตัมของวัตถุ ที่กำลังเคลื่อนที่อยู่ ได้อย่างแม่นยำพร้อมๆกัน  แต่แล้วในปี ค.ศ. 1927 ความเชื่อดังกล่าว กลับต้องเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง เมื่อ เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก (Werner Heisenberg) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ได้เสนอหลักว่า เราไม่สามารถรู้ตำแหน่งที่อยู่ และโมเมนตัม ของอิเล็กตรอน ได้อย่างเที่ยงตรงพร้อมๆกันได้ เช่น ถ้าวัดหาตำแหน่งได้อย่างแน่นอนแล้ว ค่าของโมเมนตัม ที่วัดออกมาพร้อมๆกันนั้น จะไม่แน่นอนอย่างยิ่ง โดยหลักความไม่แน่นอน (dx dp > h_b , โดยที่ h_b = h/2pi) ได้แสดงให้เห็นว่า

- ถ้าเราทราบตำแหน่ง ของวัตถุได้อย่างถูกต้องแม่นยำ (dx = 0), จะทำให้เราไม่สามารถ ทราบค่าของโมเมนตัมที่ถูกต้องแม่นยำ (dp = อนันต์)  

- แต่ถ้าเราทราบค่าของโมเมนตัม ได้อย่างถูกต้องแม่นยำ (dp = 0), จะทำให้เราไม่สามารถ ทราบตำแหน่งของวัตถุที่ถูกต้องแม่นยำ (dx = อนันต์)  





ตัวอย่างการประยุกต์ใช้หลักความไม่แน่นอน ในทางนาโนศาสตร์และนาโนเทคโนโลยี

การประยุกต์ใช้งาน ทางวิทยาการรหัสลับทางควอนตัม (quantum cryptography) โดยอาศัยหลักการที่ว่า “ปริมาณพื้นฐานทางฟิสิกส์ สามารถตรวจวัดได้ แต่ก็จะเกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาณ ที่ต้องการจะตรวจวัดนั้นๆ”

ซึ่งเป็นการยืนยันว่า เมื่อมีการดักจับข้อมูล ก็จะทำให้ข้อมูลมีการเปลี่ยนแปลงไป เมื่อผู้รับข้อมูลได้รับข้อมูล ที่มีการเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม ก็จะทราบได้ในทันที ว่ามีการดักจับข้อมูลเกิดขึ้น ทำให้ข้อมูลมีความปลอดภัยสูงมาก

ฟิสิกส์แบบดั้งเดิม เคยทำนายไว้ว่าที่อุณหภูมิ ศูนย์องศาสัมบูรณ์ หรือ 0 เคลวิน อะตอมจะมีพลังงานจลน์เป็นศูนย์ ซึ่งนั่นหมายความว่า อะตอมควรจะหยุดนิ่งอยู่กับที่ ซึ่งเท่ากับว่าอะตอมมีค่า dx = 0 และการที่อะตอม ไม่มีการเคลื่อนที่ ก็แสดงว่าอะตอมต้องมีโมเมนตัมเป็นศูนย์ด้วย เช่นเดียวกัน dp = 0 ซึ่งจะทำให้ dx dp = 0 ซึ่งเป็นไปไม่ได้ ตามหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก ดังนั้นเมื่อใช้หลักความไม่แน่นอน ในการทำนายพฤติกรรม ของอะตอมที่อุณหภูมิ 0 เคลวิน จะพบว่าอะตอม จะไม่หยุดนิ่งเสียทีเดียว แต่จะมีการสั่นเล็กน้อย (dx ไม่เท่ากับ 0 และ dp ไม่เท่ากับ 0) โดยที่อะตอม จะมีค่าพลังงานระดับต่ำที่สุด

นอกจากตำแหน่ง และโมเมนตัม ของวัตถุแล้ว ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงาน กับเวลา ก็ปฎิบัติตามหลักความไม่แน่นอน เช่นเดียวกัน (dE dt > h_b ) คือ ถ้าเราต้องการวัดพลังงานของอนุภาค ให้มีความแม่นยำมากๆ เราก็จะต้องใช้เวลาวัดนานมากเช่นกัน จากหลักการนี้เอง ที่นักฟิสิกส์นำมาใช้เป็นเหตุผล ในการสนับสนุนแนวคิดที่ว่า ในความว่างเปล่า อย่างเช่น สุญญากาศ ก็สามารถ ทำให้เกิดพลังงานขึ้นมาได้เช่นกัน โดยมีหลักฐานสนับสนุนชิ้นสำคัญ คือ ปรากฏการณ์คาซิเมียร์ (Casimir effect) นั่นเอง



สำหรับคำถามที่ว่า แล้วทำไมเราไม่รู้สึกถึงผลที่เกิดจากหลักแห่งความไม่แน่นอนในชีวิตประจำวัน? อันนี้ก็เนื่องจากว่าค่า h_b ที่ปรากฏอยู่ในสมการ มีค่าน้อยมาก (h_b = h/2pi ประมาณ 1.054 x 10^-34 จูลต่อวินาที) ทำให้ค่าความไม่แน่นอนต่างๆ มีค่าน้อยมาก จนไม่ปรากฏให้เห็น แต่สำหรับอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากๆเช่น อิเล็กตรอนซึ่งมีมวลน้อยมาก (ประมาณ 9.11 x 10-31 กิโลกรัม) ก็จะทำให้ความไม่แน่นอนของตัวแปรบางตัวแปรปรากฏขึ้นให้เห็นได้อย่างชัดเจน ในขณะที่วัตถุต่างๆที่เราเจอในชีวิตประจำวันมีขนาดใหญ่มีมวลมาก จึงทำให้ค่าความไม่แน่นอนของวัตถุเหล่านี้มีค่าน้อยมากจนไม่สามารถตรวจจับได้





แรงคาซิเมียร์ (Casimir force)

เป็นปรากฏการณ์ที่ทำนายไว้โดย เฮนริก คาร์ซิเมียร์ (H.B.G. Casimir) และได้ถูกนำมาใช้ ในการศึกษาเกี่ยวกับสุญญากาศ ในควอนตัมฟิสิกส์ ทั้งนี้เนื่องจาก
ความว่างเปล่าอย่างสุญญากาศ ทำให้เกิดพลังงานได้ โดยเมื่อนำแผ่นตัวนำ ที่ไม่มีประจุขนาดใหญ่ 2 แผ่นมาวางไว้ใกล้กันในสุญญากาศ จะพบว่ามีแรงดึงดูดแผ่นทั้งสอง ให้เคลื่อนเข้าหากันได้ ทั้งๆ ที่ไม่มีประจุไฟฟ้าหรืออนุภาคใดอยู่เลย โดยแรงดึงดูดที่เกิดขึ้น ระหว่างแผ่นทั้งสองขึ้น มีสาเหตุมาจากสถานะสุญญากาศ ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งอยู่รอบๆ แผ่นตัวนำทั้งสอง เนื่องจากว่าแผ่นทั้งสองอยู่ชิดกันมาก จนทำให้ช่องว่างระหว่างแผ่น มีแต่คลื่นสุญญากาศ ที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สั้นๆ เท่านั้น ในขณะที่ ด้านนอกแผ่นตัวนำทั้งสอง มีสถานะสุญญากาศ ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ทุกความยาวคลื่น ทำให้ด้านนอกแผ่นตัวนำ มีแรงดันมากกว่าแรงดัน ที่อยู่ระหว่างแผ่น จึงทำให้เกิดการบีบแผ่นตัวนำ ทั้งสองเข้าหากัน



ปรากฏการณ์คาซิเมียร์ สร้างความตื่นเต้น ให้กับวงการฟิสิกส์ยุคใหม่เป็นอย่างมาก เพราะอาจนำไปสู่การค้นพบคำตอบ เกี่ยวกับการขยายตัวของจักรวาล และการมีอยู่ของพลังงานมืด (dark energy) 



แต่สำหรับนาโนเทคโนโลยีแล้ว ปรากฏการณ์คาซิเมียร์ มีประโยชน์เป็นอย่างมาก ต่อการพัฒนาระบบเครื่องกลไฟฟ้าจุลภาค (Micro-electromechanical systems, MEMS) และระบบเครื่องกลไฟฟ้านาโน (Nano-electromechanical systems, NEMS) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในชิ้นส่วนย่อย ที่เกี่ยวข้องกับการขับเคลื่อน เช่น เกียร์ และมอเตอร์ เป็นต้น



ปรากฏการณ์คาซิเมียร์ จัดเป็นอิทธิพลทางควอนตัม ที่สามารถส่งผลถึงคุณสมบัติ ในระดับมหภาคได้

ยกตัวอย่างเช่น  แผ่นเหล็กที่มีพื้นที่ผิว 1 ตารางเซนติเมตร 2 แผ่นที่อยู่ห่างกัน 1 ไมโครเมตร จะมีแรงดึงดูดระหว่างกันประมาณ 10^-7 นิวตัน ซึ่งเป็นระดับของแรงที่อุปกรณ์ในปัจจุบันสามารถตรวจจับได้

แรงแวนเดอวาลส์

แรงแวนเดอวาลส์ (van der Waals force) เป็นแรงยึดเหนี่ยวที่อ่อนมาก และเป็นแรงที่มีอิทธิพลเป็นอย่างมาก ต่อสสารที่มีความเล็กในระดับนาโนเมตร แรงแวนเดอวาลส์เกิดขึ้นจากการเหนี่ยวนำไดโพล (induced dipole) โดยอิเล็กตรอน ในสารไม่มีขั้ว ที่มีการเคลื่อนไหวตลอดเวลา ทำให้ในบางเวลา อิเล็กตรอนไหลไปรวมกัน ในบริเวณหนึ่ง มากกว่าอีกบริเวณหนึ่ง ซึ่งเหนียวนำให้เกิดขั้วบวกขั้วลบ แบบชั่วคราวขึ้นมา



ซึ่งไดโพลชั่วคราวที่เกิดขึ้นนี้ ก็สามารถไปเหนี่ยวนำโมเลกุล ที่อยู่ใกล้กันให้เข้ามาติดกัน ไดโพลชั่วคราวนี้ สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตลอดเวลา แต่ผลรวมนี้ ก็ก่อให้เกิดแรงยึดเหนี่ยว ระหว่างโมเลกุลไม่มีขั้วขึ้นมา อย่างไรก็ตาม แรงแวนเดอวาลส์ เป็นแรงยึดที่อ่อนมาก และเกิดขึ้นเฉพาะโมเลกุลที่ติดกันเท่านั้น ดังนั้น ค่าของแรงแวนเดอวาลส์ จึงขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวสัมผัส ระหว่างโมเลกุล ซึ่งมีผลมาจากรูปร่างและขนาดของโมเลกุลนั่นเอง



คำอธิบายเกี่ยวกับการเกิดแรงแวนเดอวาลส์ คงต้องอาศัยทฤษฎี เกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัม มาอธิบายว่าอะตอมทุกชนิด มีอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่อยู่ตลอด ในหลายระดับวงโคจร มีตำแหน่งที่ไม่แน่นอน (dispersion) อยู่ทุกขณะ ซึ่งลักษณะดังกล่าว จะทำให้เกิดไดโพลโมเมนต์ (dipole moment) แบบชั่วคราวขึ้นมาได้ จึงสามารถเหนี่ยวนำ อะตอมใกล้เคียง ให้เกิดไดโพลโมเมนต์ได้ และดึงดูดกันได้ในที่สุด 

การศึกษาทางด้านนาโนศาสตร์ และนาโนเทคโนโลยี ที่เกี่ยวข้องกับแรงแวนเดอวาลส์ มีมากมาย ยกตัวอย่างเช่น 

กลุ่มก้อนโมเลกุลบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน (Buckminsterfullerene) หรือบัคกี้บอลที่เชื่อมติดกันด้วยแรงแวนเดอวาลส์

การใช้ท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังเดี่ยว (single-wall carbon nanotubes) เป็นชิ้นส่วน ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุล (molecular electronics) โดยเมื่อท่อนาโนคาร์บอน สองท่อถูกดึงให้แตะกัน โดยการอาศัยแรงแวนเดอวาลส์จะทำให้สวิตซ์เปิด (เอกสารอ้างอิง: Science (2000) 289: 94)

---

บทความอื่น

บทความแนะนำ

Blog แนะนำ

Hot Links

คลังข้อสอบ | ข่าววิชาการ
เล่นกล/เกม | อ่านนิยาย
ข่าวทุนการศึกษา | ลิงค์

ขอบคุณผู้สนับสนุน