แบบจำลองทางคณิตศาสตร์เสนอโดย นักวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ได้ปฏิวัติพื้นฐานของกรอบความคิดเดิมในการสร้างสิ่งประดิษฐ์จากนาโนเทคโนโลยี โดยทฤษฎีนี้คาดว่า ถ้าถูกนำไปใช้และพัฒนา มันไม่เพียงจะก่อให้เกิดนวัตกรรมใหม่ๆ ในเชิงอุตสาหกรรมเท่านั้น แต่อาจจะรวมไปถึงการเข้าใจธรรมชาติของการดำรงชีวิตของมนุษย์เราเลยทีเดียว

เมื่อสองอาทิตย์ที่ผ่านมา Salvatore Torquato และผู้ร่วมงานของเขาได้เสนอแนวคิดทางคณิตศาสตร์ในวารสาร Physical Review Letter หนึ่งในวารสารชั้นนำด้านสาขาฟิสิกส์ ที่คาดว่าจะช่วยให้พวกเขาสามารถประดิษฐ์โครงสร้างของอนุภาคนาโนใหม่ๆด้วยการจัดระเบียบให้อนุภาคได้มีอันตรกิริยาต่อกันด้วยความเหมาะสมทางธรรมชาติมากที่สุด

แบบจำลองที่พวกเขาเสนอขึ้นมานี้อาจดูไม่มีความหมายอะไรเลยสำหรับคนเดินถนนทั่วไป แต่ว่าสำหรับนักวิทยาศาสตร์แล้ว มันเป็นความคิดที่น่าสนใจมากเลยทีเดียว โดย Pablo Debenedetti ศาสตราจารย์ทางวิศวเคมีที่มหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน กล่าวว่า “ในนัยหนึ่งแล้ว แบบจำลองนี้จะเหมือนกับ ทำให้เราเล่นบทเป็นพระเจ้าได้เลย เพราะว่า มันทำให้เราสามารถสร้างสสารนาโนใหม่ๆ ได้บนคอมพิวเตอร์ โดยอาศัยการที่ทำให้อันตรกิริยาของสสารเหล่านี้ถูกปรับ (optimize) จนพวกมันเรียงตัวกันเป็นโครงสร้างที่เราต้องการได้”

โดยทั่วไปแล้ว หลักการในการสร้างนวัตกรรมทางนาโนเทคโนโลยีจะ เป็นการสร้างสสารที่มีโครงสร้างทางเคมีใหม่ๆ ด้วยการลองผิดลองถูก (trial and error) ด้วยการพยายามให้องค์ประกอบภายในของสสารหลายชนิดทำปฏิกิริยากัน แล้วนักวิทยาศาสตร์ก็ลองมาดูกันว่า ปฏิกิริยานั้นๆ มันจะนำมาใช้ประโยชน์ได้หรือไม่

นักนาโนเทคโนโลยี (nanotechnologist) จะสร้างทุกสสารทางนาโนบนพื้นฐานของกระบวนการที่เรียกว่า “self-assembly” หรือ “การสร้างโครงสร้างขึ้นด้วยตัวเอง” นั่นหมายถึง การสังเคราะห์สสารใหม่ๆ ที่ไม่ใช่นำโมเลกุลที่เป็นองค์ประกอบไปเรียงต่อกันหรือเชื่อมกันเหมือน การผลิตสิ่งต่างๆ ในทางอุตสาหกรรม แต่ว่า เป็นการปล่อยให้องค์ประกอบทางโมเลกุลเหล่านั้นเรียงตัวกันเองตามธรรมชาติ จนกลายเป็นโครงสร้างที่ใหญ่และ มีระเบียบแบบแผนของตัวมันเอง

ตัวอย่างของกระบวนการ self-assembly ที่ชัดเจนอันหนึ่ง คือ การที่ชีวโมเลกุลในสิ่งมีชีวิตมีการเรียงตัวกันเป็นโครงสร้าง double-helix ใน DNA

แต่ในแบบจำลองที่ Torquato และเพื่อนร่วมวิจัยของเขาคิดขึ้นนั้น ได้ใช้วิธีการย้อนกลับ โดยแทนที่เขาจะใช้วิธีลองผิดลองถูกในกระบวนการสร้างโครงสร้างด้วยตัวมันเอง (self-assembly) ของโมเลกุล แต่พวกเขาได้เริ่มต้นจากโครงสร้างพื้นฐานระดับนาโนของโมเลกุลเหล่านั้น เขากล่าวว่า “ถ้าเราจินตนาการให้วัสดุนาโนที่ประดิษฐ์ขึ้นเป็นบ้านคน วิธีการของเรานั้นเหมือนกับช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทำหน้าที่ เหมือนสถาปนิก ผู้รับเหมา และ กรรมกรก่อสร้าง ในคนเดียวกัน มันเหมือนกับว่าเราออกแบบองค์ประกอบพื้นฐานของบ้าน ซึ่งนั่นก็คือ อิฐ หรือบล็อกซีเมนต์ โดยที่พยายามให้มันมีอันตรกิริยาต่อกันในแนวทางที่เมื่อนำพวกมันไปวางด้วยกันแล้ว อิฐหรือบล็อกซีเมนต์เหล่านี้ จะเรียงตัวของมันเอง จนกลายเป็นบ้านที่เราต้องการ”

เมื่อเปรียบเทียบวิธีการลองผิดลองถูกแบบที่ใช้กันอยู่ปัจจุบันแล้ว วิธีการลองผิดลองถูกทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องทำการทดลองนับครั้งไม่ถ้วนเพื่อที่จะให้ได้บ้านแบบเดิมที่พวกเขาต้องการ แล้วก็ไม่แน่ว่า บ้านที่ได้นั้น จะเป็นบ้านหรือเปล่า มันอาจจะกลายเป็นโรงเก็บรถหรือคอกเลี้ยงม้าไปเลยก็ได้

ในขณะที่ Torquato เป็นนักทฤษฎีมากกว่าจะเป็นนักปฏิบัติ ความคิดของเขาอาจจะมีผลต่อการนำไปสร้างโครงสร้างระดับนาโนที่สามารถนำไปประยุกต์ใน เทคโนโลยีด้าน เซ็นเซอร์ อิเล็กทรอนิกส์ หรือ วิศวกรรมอากาศยาน Pablo Debenedetti กล่าวเพิ่มเติมว่า “นี่เป็นตัวอย่างที่ดีอันหนึ่ง ของการพยายามถามคำถามเชิงลึกทางทฤษฎี แล้วการพยายามหาคำตอบของคำถามแบบนี้ นำไปสู่การประยุกต์ในการสร้างสิ่งที่มีประโยชน์”

แต่อย่างไรก็ดี Torquato และเพื่อนร่วมงาน ได้เพียงแค่สามารถสาธิตความเป็นไปได้ของวิธีการของเขา ในการจำลองในคอมพิวเตอร์เท่านั้น ในการจำลองทางคอมพิวเตอร์พวกเขาได้พิจารณาแผ่นฟิล์มบางของอนุภาค โดยจินตนาการว่า อนุภาคที่ประกอบกันเป็นแผ่นฟิล์มนั้นเป็นเสมือน เหรียญบาทหลายๆอันกระจายตัวกันอยู่ และเมื่อเหรียญเหล่านี้ถูกบีบอัด มันจะเรียงกันเองตามธรรมชาติกลายเป็นโครงสร้างผลึกสามเหลี่ยม (triangular lattice) แล้ว ถ้าหากเราไปพยายามทำให้อันตรกิริยาของเหรียญหรืออนุภาคเหล่านี้ ให้ถูก optimize พวกมันก็จะเรียงตัวกันใหม่ด้วยตัวมันเองเป็นโครงสร้างที่ต่างออกไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ซึ่งนั่นก็คือโครงสร้างผลึกรังผึ้ง

ผลึกรังผึ้งสำคัญยังไงหรือ อย่าลืมว่า ผลึกแบบรังผึ้งนี้เป็นโครงสร้างแบบสองมิติของผลึกแบบสามมิติของเพชร และนั่น ถ้าหากจำกันได้ ก็คือโครงสร้างของท่อนาโน (จอกศักดิ์สิทธ์ ของนาโนเทคโนโลยี) นั่นเอง

เพชรนั้นมีการสร้างผลึกของมันเองด้วยกระบวนการ self-assembly ทั้งนี้เนื่องจากอะตอมของคาร์บอนของเพชรมีอันตรกิริยาต่อกันแบบเฉพาะที่เรียกว่า การสร้างพันธะโควาเลนต์ ซึ่งนั่นก็คือ อะตอมของคาร์บอนจะสร้างพันธะโควาเลนต์ต่อกันกับอะตอมที่อยู่รอบๆ 4 อะตอมในทิศทางจำเพาะ


Torquato หวังว่า ความคิดและแบบจำลองของเขาจะสามารถถูกนำไปใช้ได้จริงในห้องทดลองด้วยการใช้ อนุภาคคอลลอยด์ ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีคุณสมบัติโดยฉพาะตามที่เขาได้ออกแบบไว้ในแบบจำลอง ทั้งนี้ Paul Chaikin ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยนิวยอร์ค ได้อ้างว่า เขากำลังเริ่มแผนการที่จะทำการทดลองด้วยวิธีการของ Torquato

Torquato บอกว่า เขาและเพื่อนร่วมงานประสบความลำบากมากในการหาเงินมาอุดหนุนงานที่พวกเขาทำ โดยเพื่อนร่วมงาน “คิดว่า มันเป็นความคิดนอกกรอบอย่างมาก และดูเหมือนจะเป็นไปไม่ได้เลยที่ทำได้ตามที่คิดไว้” ท้ายที่สุดแล้ว งานนี้ก็ได้รับทุนสนับสนุนจาก Office of Basic Energy Sciences หนึ่งในหน่วยงานของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ

และในอนาคต Torquato “ได้วางโครงการว่า จะสาธิตการสร้างโครงสร้างนาโนที่มีประโยชน์และแปลกแหวกแนวกว่าเดิม”

ข้อมูลจาก
http://www.sciencedaily.com/releases/2005/11/051130231645.htm

ข้อมูลเพิ่มเติม

-เว็บส่วนตัวของ Salvatore Torquato ที่พริสซ์ตัน
http://cherrypit.princeton.edu/sal.html

- กลุ่มวิจัย Complex Materials Theory ที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน
http://cherrypit.princeton.edu/


(ภาพข้างบนเป็นภาพจากเว็บของกลุ่ม Complex Materials Theory ที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน)