 |
<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 8 - สมบัติทางแม่เหล็กอันแปลกประหลาด
ดร. ณัฐพันธุ์ ศุภกา
ฝ่ายถ่ายทอดเทคโนโลยีและวิชาการ
ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ
นักเขียนประจำ: วิชาการ.คอม
สมบัติทางแม่เหล็กอันแปลกประหลาด
สมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุ ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของอะตอม และลักษณะการจับตัว ของอะตอมของธาตุ ที่ประกอบกันขึ้นเป็นวัสดุ โดยที่สามารถแยก สสารและวัสดุ ออกเป็นกลุ่มต่างๆ ตามสมบัติทางแม่เหล็ก ได้ดังนี้
- กลุ่มไดอาแมกเนติก (diamagnetic) วัสดุที่สามารถแสดงค่า สภาพรับไว้ได้ทางแม่เหล็ก (magnetic susceptibility) ในเชิงลบเล็กน้อยเมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็ก
- กลุ่มพาราแมกเนติก (paramagnetic) วัสดุที่สามารถ แสดงค่าสภาพรับไว้ได้ทางแม่เหล็ก ในเชิงบวกเล็กน้อย เมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็ก
- กลุ่มเฟอร์โรแมกเนติก (ferromagnetic)วัสดุที่สามารถ รักษาสภาพแม่เหล็ก ให้คงอยู่ได้ แม้จะไม่อยู่ในสนามแม่เหล็ก หรือทำให้หมดสภาพแม่เหล็กไปได้ โดยต้องการ ทำให้วัสดุกลุ่มนี้มีความสำคัญมากต่องานทางด้านวิศวกรรม
การอธิบายสมบัติทางแม่เหล็กของสาร จำเป็นต้องอาศัยกลศาสตร์ควอนตัม อีกเช่นกัน กล่าวคือ สารที่มีสภาพเป็นแม่เหล็กนั้น เป็นผลมาจากการสปินภายนอก (โมเมนตัมเชิงมุม (angular momentum) ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ รอบนิวเคลียสของอิเล็กตรอน) และสปินภายใน ที่เกิดจากการหมุนรอบตัวเองของอิเล็กตรอน โดยที่อิเล็กตรอนจะมีการสปินเป็นเพียง ขึ้น หรือ ลง เท่านั้น จึงทำให้อิเล็กตรอน มีสมบัติเป็นขั้วแม่เหล็กคู่ (magnetic dipole moment) ขนาดเล็ก โดยสารที่มีสภาพเป็นแม่เหล็กนั้น เกิดจากการที่อะตอมของสาร มีจำนวนอิเล็กตรอนพวกที่มีสปินขึ้น ไม่เท่ากับพวกที่มีสปินลง ทำให้ค่าโมเมนตัมเชิงมุม หรือโมเมนต์แม่เหล็ก (มีค่าไม่เป็นเป็นศูนย์ ซึ่งจะเกิดขึ้นได้เฉพาะ ในกรณีที่อะตอมมีจำนวนอิเล็กตรอน ไม่เต็มชั้นพลังงานย่อยเท่านั้น
โดยบริเวณของกลุ่มอะตอม ที่มีโมเมนต์แม่เหล็กหัน ไปในทิศทางเดียวกัน เรียกว่าโดเมนแม่เหล็ก (magnetic domain) สารที่มีสภาพเป็นแม่เหล็ก จะประกอบขึ้นจากโดเมนแม่เหล็กหลายๆ
โดเมน
อย่างไรก็ตาม สสารและวัสดุต่างๆ ที่มีขนาดอยู่ในระดับนาโน จะมีสมบัติทางแม่เหล็กแตกต่างไป จากวัสดุขนาดใหญ่ ซึ่งสมบัติใหม่ๆ เหล่านี้ ล้วนแล้วแต่มีประโยชน์ เป็นอย่างมากต่อเทคโนโลยีสาขาต่างๆ เช่น เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ ทั้งนี้เนื่องจากว่า หน่วยความจำแบบฮาร์ดดิสก์ ที่ใช้ในปัจจุบัน มีพื้นฐานอยู่บนสภาวะแม่เหล็ก โดยข้อมูลจะถูกจัดเก็บในลักษณะของขั้วแม่เหล็กบนดิสก์ ข้อมูลจะถูกบรรทึก หรืออ่านโดยใช้หัวอ่านพิเศษ โดยอาศัย ปรากฏการณ์ไจแอนต์แมกเนโตรีซิสแตนซ์ (giant magnetoresistance) ซึ่งเกิดจากอิทธิพล ของสนามแม่เหล็กที่มีผลต่อความต้านทานไฟฟ้า โดยกระแสไฟฟ้าที่ผ่านหัวอ่านจะแปรผันไปตามขั้วแม่เหล็กบนแผ่นดิสก์ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะสามารถเพิ่มความจุ ของหน่วยความจำให้มากขึ้น ได้โดยการลดขนาดของอนุภาคแม่เหล็กนาโน เหล่านี้ให้เล็กลงไปเรื่อยๆ แต่วิธีการนี้ก็มีข้อจำกัดที่เรียกว่า ขีดจำกัดซูเปอร์พาราแมกเนติก (superparamagnetic
limit) ซึ่งเกิดจากการที่หมุดนาโน มีสภาวะทางแม่เหล็กที่ไม่มั่นคง เพราะถูกแทรกแซงด้วยพลังงานความร้อน
อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันนี้ นักวิจัยของไอบีเอ็ม ได้ก้าวข้ามขีดจำกัดดังกล่าวไปได้ แล้วโดยการพัฒนา พิซีดัสต์ (pixie dust) ซึ่งมีลักษณะเป็นชั้นบาง ที่มีความหนาเพียงแค่รูทีเนียม (ruthenium, Ru) 3 อะตอม คั่นอยู่ระหว่างชั้นสารแม่เหล็กสองชั้น และทำงานได้โดยอาศัยสภาพแม่เหล็ก แอนติเฟอร์โร (antiferromagnetism)
ภาพแสดงการทำงานของหน่วยเก็บความจำทั่วไป (ซ้าย)
เปรียบเทียบกับหน่วยเก็บความจำที่ใช้วัสดุตัวกลางแบบใหม่ที่พัฒนาขึ้นโดยบริษัทไอบีเอ็ม (ขวา)
โดยปกติแล้ว วัสดุเฟอร์โรแมกเนติกจะประกอบไปด้วยโดเมนแม่เหล็กหลายโดเมน โดยที่แต่ละโดเมนถูกคั่นด้วยกำแพงโดเมน (domain wall) แต่เมื่อวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกมีขนาดเล็กลง จนถึงค่าวิกฤติค่าหนึ่ง จะทำให้พลังงานของกำแพงโดเมนมีค่าไม่มั่นคง ซึ่งจะส่งผล ทำให้อนุภาคเฟอร์โรแมกเนติก ทั้งอนุภาคกลายเป็นเสมือนกับโดเมนแม่เหล็กเดี่ยว (single magnetic domain) ซึ่งจะทำให้เกิดสมบัติทางแม่เหล็กแบบใหม่ขึ้นมานั่นคือ ปรากฎการณ์ซูเปอร์พาราแมกเนติก (superparamagnetic phenomenon) โดยอนุภาคที่มีสมบัติซูเปอร์พาราแมกเนติก (superparamagnetic particles) จะมีสมบัติแม่เหล็ก ที่ไม่มั่นคงอันเนื่องมาการแปรปรวน ของอุณหภูมิ โดยอนุภาคเหล่านี้ จะไม่แสดงสมบัติแม่เหล็ก เมื่อไม่ได้รับสนามแม่เหล็กภายนอก อนุภาคซูเปอร์พาราแมกเนติก สามารถนำไปใช้ประโยชน์มากมาย เช่น การใช้นำส่งยาหรือสารออกฤทธิ์ ไปยังอวัยวะเป้าหมายโดยการควบคุมด้วยสนามแม่เหล็ก ภายนอกร่างกาย
เป็นต้น
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่า Magnetization (M) กับค่าความเข้มของสนามแม่เหล็ก (H) ของวัสดุต่างๆ
แม่เหล็กนาโนเชิงโมเลกุล (molecular nanomagnets) หรือ แม่เหล็กแบบโมเลกุลเดี่ยว (single-molecular magnets, SMMs) เมื่ออยู่ภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติ โมเลกุลแม่เหล็กเหล่านี้ สามารถแสดงคุณสมบัติลูปฮิสเทอริซิส (hysteresis loop) ซึ่งเป็นคุณสมบัติ ที่ใช้บ่งชี้สภาพความเป็นแม่เหล็ก ของวัสดุขนาดใหญ่ และยังสามารถแสดงพฤติกรรมควอนตัมทัลเนลลิ่ง ของการอัดฟลักซ์แม่เหล็ก (quantum tunneling of magnetization, QTM) และการแทรกสอดของสภาวะควอนตัม (quantum phase interference) ซึ่งเป็นสมบัติของแม่เหล็ก ที่สามารถพบได้ในระดับนาโนเท่านั้น โดยสมบัติเชิงแม่เหล็กที่เกิดขึ้น ในระดับนาโนเหล่านี้ไปใช้ประโยชน์ได้อย่างมากมาย เช่น ใช้ในการคำนวณเชิงควอนตัม (quantum computing) หน่วยเก็บความจำแบบนาโนบิต หน่วยความจำแบบสปินทรอนิกส์ (spintronic memory chips) และนาโนเซ็นเซอร์ เป็นต้น
*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