 |
<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 7 - การเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownian motion)
ดร. ณัฐพันธุ์ ศุภกา
ฝ่ายถ่ายทอดเทคโนโลยีและวิชาการ
ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ
Main Contributor: วิชาการ.คอม
การเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownian motion)
ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวน์ เป็นมรดกชิ้นเอกชิ้นหนึ่ง ที่ อัลเบิร์ตไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ทิ้งเอาไว้ให้ ซึ่งในเวลาต่อมา ได้รับการพิสูจน์ ว่าถูกต้อง จากการทดลอง ของนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อ ฌอง-บัพติสต์ เปแรง (Jean-Baptiste Perrin)
และในปัจจุบันนี้ การเคลื่อนที่แบบบราวน์ กำลังมีบทบาทอย่างมาก ต่อการวิจัยทางด้านนาโนศาสตร์ และนาโนเทคโนโลยี ทั้งนี้ เนื่องจากทฤษฎีนี้ สามารถใช้อธิบายพฤติกรรม การเคลื่อนที่ของอนุภาคเล็กๆ ที่แขวนลอยอยู่ในของเหลว โดยอาศัยทฤษฎีพลังงานจลน์ของความร้อน (kinetic theory of heat) ระดับโมเลกุล ซึ่งมีความจำเป็นมาก ในการใช้ศึกษา และการทำนาย ลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคนาโน (nanoparticles) เช่น พฤติกรรมของอนุภาคนาโน ที่อยู่ภายในเนื้อวัสดุแบบก้อนใหญ่ (bulk materials) นอกจากนี้ การผสมผสาน ลักษณะการเคลื่อนที่แบบบราวน์ เข้ากับคุณสมบัติทางแรงผิวหน้า (surface force) ของอนุภาคนาโน จะนำไปสู่การพัฒนา วิธีการสังเคราะห์ วัสดุอุปกรณ์ ที่ต้องอาศัยหลักการประกอบตัวเอง
(self-assembly) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ทฤษฎีดังกล่าว ยังได้นำไปสู่ การพัฒนา มอเตอร์บราวเนียน (Brownian motors) ที่พัฒนาขึ้นจากการเลียนแบบกลไกการทำงานของโมเลกุลมอเตอร์ (molecular motors) เช่น โปรตีนไคเนซิน (kinesin) และโปรตีนไมโอซิน (myosin) ซึ่งสามารถนำมาใช้เป็น ระบบนำส่งยาแบบนำวิถี (drug delivery system) ที่ปลดปล่อยโมเลกุลยา ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์บางท่าน ยังได้ใช้ทฤษฎีนี้ มาใช้เป็นหลักเกณฑ์ ในการออกแบบจักรกลนาโน (nanomachines) ที่สามารถเคลื่อนที่ ได้อย่างอิสระ ภายในร่างกายสิ่งมีชีวิต เพื่อใช้ในการนำส่งยา แบบนำวิถีหรือรักษาโรคบางชนิด ซึ่งตัวอย่าง ของจักรกลนาโน ที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติ และสามารถเคลื่อนที่แบบบราวน์ได้ ก็มีอยู่หลายชนิด เช่น แบคทีเรีย เป็นต้น
ในปัจจุบันนี้นักนาโนเทคโนโลยี ได้อาศัยหลักการเคลื่อนที่แบบบราวน์ ในระดับอะตอม ในการสร้างกล้องจุลทรรศน์แรงเสียดทาน หรือกล้องเอฟเอฟเอ็ม (Friction Force Microscope, FFM) ที่สามารถใช้วิเคราะห์ พื้นผิวระดับอะตอม โดยการวิเคราะห์แรงเสียดทาน ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์ได้อย่างมากมาย
เมจิกนัมเบอร์ (Magic number) และโครงสร้างผลึกนาโนที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว
ในช่วงต้นปี ค.ศ. 1980 มีการค้นพบ เกี่ยวกับกลุ่มก้อนอะตอมโลหะ และผลึกขนาดนาโนของโลหะ ที่น่าสนใจมาก
นั่นคือ มีการค้นพบว่า กลุ่มก้อนของอะตอมโลหะ ที่มีขนาดที่เฉพาะเจาะจงบางขนาด จะมีความเสถียรมากกว่า กลุ่มก้อนอะตอมโลหะขนาดอื่นๆ
จากการศึกษาโดยละเอียด พบว่าจำนวนอะตอมทั้งหมด ที่มาประกอบกันเป็นผลึก ที่มีโครงสร้างแบบเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ (electronic shell structure) จะมีกฎเกณฑ์ ในการเติบโตที่เป็นระบบ กล่าวคือ ส่วนใหญ่ จะมีจำนวนอะตอม เป็นลำดับตัวเลขที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัว และมีจำนวนเหมือนเดิมทุกครั้ง
ซึ่งเป็นเรื่องที่แปลกมาก จนราวกับว่าลำดับตัวเลขดังกล่าว เป็นตัวเลขวิเศษ หรือ เมจิกนัมเบอร์ (Magic number)!
ยกตัวอย่างเช่น กลุ่มก้อนของอะตอมโซเดียม และโลหะอัลคาไลน์บางชนิด จะมีเมจิกนัมเบอร์ ดังนี้คือ 8, 20, 34, 58, 92, 138, 196
.. หรือ กลุ่มก้อนอะตอมก๊าซเฉื่อย มีเมจิกนัมเบอร์ดังนี้ คือ 13, 55, 147, 309, 561,
เป็นต้น
รูปแบบจำลองเจลเลียม (Jellium model) แสดงพลังงานศักย์ของอิเล็กตรอน ที่เป็นฟังก์ชั่นของรัศมีของกลุ่มก้อน อะตอมโซเดียมจำนวน 20 อะตอม โดยจำนวนของอิเล็กตรอนทั้งหมด ที่พบในแต่ละชั้นแสดงไว้ทางขวามือสุดของภาพ
(เอกสารอ้างอิง: Sol. State Phys. (1987) 40: 93)
ผลึกแบบก้อนใหญ่ (bulk crystals) ของโลหะ จะมีโครงสร้าง ที่ประกอบไปด้วยหน่วยย่อยซ้ำๆ กันที่เรียกว่า แลตทิซ (lattice) และมีการเรียงตัว อย่างเป็นระบบ แต่สำหรับผลึกโลหะขนาดนาโนเมตร (metal nanocrystals) จะมีองค์ประกอบ เป็นกลุ่มก้อนของอะตอม ไม่กี่ร้อยอะตอม ทำให้อะตอมส่วนมาก เป็นอะตอมที่อยู่บริเวณผิวหน้า โดยกลุ่มก้อนอะตอม ของโลหะที่มีขนาดใหญ่มาก จะพบว่าโครงสร้างในระดับอะตอม จะมีผลน้อยมาก ต่อรูปร่างของกลุ่มก้อนทั้งหมด โดยที่รูปทรงของกลุ่มก้อนอะตอม จะขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิว และพลังงานอิสระ ที่อยู่ในบริเวณผิวสัมผัส ของโครงสร้างกลุ่มก้อนแทน
โดยทั่วไปแล้ว
รูปทรงของผลึก ที่สภาวะสมดุลย์เกิดขึ้น จากการพยายามจัดรูปทรงของผลึก ให้มีพลังงานอิสระ บริเวณผิวหน้าต่อหน่วยปริมาตร น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สำหรับผลึกขนาดใหญ่ การจัดรูปทรงของผลึกจะเป็นไปตามกฎเกณฑ์แบบ Wulff construction แต่ผลึกที่มีขนาดในระดับนาโน (nanocrystals) อาจมีรูปทรงที่แตกต่าง ไปจากกฎเกณฑ์ดังกล่าว ทั้งนี้ อาจเกิดจากการ ที่ผลึกนาโน มีอัตราส่วนระหว่างพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูง จึงทำให้ ผลึกนาโน หรือกลุ่มก้อนอะตอมทั้งกลุ่มก้อน มีการจัดเรียงตัวกันใหม่ กลายเป็นผลึกที่มีรูปทรงใหม่ๆ ที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในผลึกขนาดใหญ่ ยกตัวอย่างเช่น วัสดุแบบก้อนใหญ่ ที่ปกติ มีโครงสร้างผลึกมหภาค เป็นแบบ เฟซ-เซ็นเตอร์-คิวบิก (face-centered cubic หรือ fcc) จะมีโครงสร้างผลึก เป็นแบบไอโคซาฮีดรอน (icosahedron) หรือ ดีคาฮีดรอน (decahedron) แทน เมื่อผลึกมีขนาดอยู่ในระดับนาโน เป็นต้น
จากการศึกษาพบว่า อนุภาคนาโนของทองคำ โดยส่วนใหญ่ จะมีรูปร่างผลึกเป็นแบบ ทรังเคทคิวบอกตาฮีดรอน (truncated cuboctahedron) อย่างไรก็ตาม มีการค้นพบว่า ผลึกนาโนของทองคำ มีรูปทรงเรขาคณิตแบบอื่นๆ ด้วย เช่น ดีคาฮีดรอน โดดีคาฮีดรอน (dodecahedron) และ ไอโคซาฮีดรอน ดังรูป
ลักษณะโครงสร้างผลึกในระดับนาโนของกลุ่มก้อนโลหะ
*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