Home arrow บทความวิทยาศาสตร์ arrow ไขปริศนา...นาโนเทคโนโลยี
  
เมนูอื่นๆ
Home บทความวิทยาศาสตร์ เซ็นสมุดเยี่ยม
ไขปริศนา...นาโนเทคโนโลยี PDF พิมพ์

( ดร.ณัฐพันธุ์ ศุภกา )

STM Image - the Quantum Corral


1. นาโนเทคโนโลยีคืออะไร?

ความหมายของนาโนเทคโนโลยี (nanotechnology) ที่ถูกนิยามขึ้นโดยมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (National Science Foundation, NSF) ของสหรัฐอเมริกามีอยู่ 3 มุมมองด้วยกันคือ
1. การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีในระดับอะตอม โมเลกุล หรือโมเลกุลมหภาค (macromolecule) ที่มีขนาดเล็กในช่วง 1 ถึง 100 นาโนเมตร
2. การสร้างและการใช้ประโยชน์จากโครงสร้าง อุปกรณ์ หรือระบบต่างๆ ที่มีสมบัติและหน้าที่ใหม่ๆเกิดขึ้นอันเนื่องมาจากความเล็กในระดับนาโน (nanoscale) ของสิ่งนั้นๆ
3. ความสามารถในการควบคุมและจัดการได้อย่างถูกต้องและแม่นยำในระดับอะตอม
ดังนั้นความหมายโดยรวมของนาโนเทคโนโลยี ก็คือ “การจัดการ การสร้าง การสังเคราะห์วัสดุ อุปกรณ์และระบบต่างๆ ที่มีขนาดเล็กอยู่ในช่วง 1 ถึง 100 นาโนเมตร ด้วยความถูกต้องและแม่นยำ ซึ่งจะส่งผลให้วัสดุหรืออุปกรณ์ต่างๆมี “สมบัติที่พิเศษขึ้น” ทำให้เกิดประโยชน์ ต่อผู้ใช้สอยและเพิ่มมูลค่าทางเศรษฐกิจได้”


ระดับนาโน (nanoscale) สำคัญอย่างไร ?
"ที่ความเล็กระดับนาโนเมตร เราจะค้นพบแรงชนิดใหม่ๆ ปรากฏการณ์ใหม่ๆ และความเป็นไปได้รูปแบบใหม่ๆ"
ข้อความดังกล่าวเป็นคำพูดของ ริชาร์ด ฟายน์แมน (Richard Feynman) ซึ่งเป็นบุคคลที่ได้รับการยกย่อง ให้เป็นบิดาของนาโนเทคโนโลยี ซึ่งเขาได้กล่าวไว้ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1959 ระหว่างการบรรยายทางวิชาการอันโด่งดัง เรื่อง "There’s Plenty of Room at the Bottom" ณ สมาคมฟิสิกส์ สหรัฐอเมริกา จากคำพูดของฟายน์แมนดังกล่าว ทำให้เห็นอย่างชัดเจนว่าความสำคัญของนาโนศาสตร์ และนาโนเทคโนโลยี ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแค่ การที่เราสามารถสร้างสิ่งต่างๆ ที่มีขนาดเล็กในระดับนาโนเมตร ได้อย่างถูกต้องและแม่นยำเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการที่เราสามารถนำสมบัติใหม่ๆ และปรากฏการณ์ใหม่ๆ ที่เกิดขึ้นเฉพาะในระดับนาโนเท่านั้น มาใช้ให้เป็นประโยชน์ได้อีกด้วย โดยปัจจัยสำคัญที่ทำให้วัสดุ อุปกรณ์และระบบที่มีขนาดในระดับนาโน (1-100 นาโนเมตร) มีสมบัติทางไฟฟ้า สมบัติทางแม่เหล็ก สมบัติเชิงแสง สมบัติเชิงกล และสมบัติเชิงเคมีแตกต่างไปจากวัสดุชนิดเดียวกันที่มีขนาดใหญ่กว่าเกิดจากสาเหตุดังต่อไปนี้



มิติทางกายภาพถูกจำกัดขนาด
วัสดุหรือโครงสร้างที่มีขนาดในระดับนาโน ถูกจัดว่าเป็นโครงสร้างที่มีระบบมิติต่ำ (Low-dimensional systems, LDSs) ทั้งนี้เนื่องจากมิติทางกายภาพ (กว้าง ยาว และสูง) ของวัสดุ หรือโครงสร้างนาโน อย่างน้อยหนึ่งมิติ จะถูกจำกัดขนาดอยู่ในช่วง 1 ถึง100 นาโนเมตรเท่านั้น
ซึ่งจะทำให้ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ภายในวัสดุหรือโครงสร้างนาโน แตกต่าง ไปจากวัสดุแบบก้อนใหญ่ (bulk materials) โดยที่สามารถใช้ LDSs ในการแบ่งวัสดุและโครงสร้างนาโนออกเป็นกลุ่มๆ ดังนี้
1. ระบบศูนย์มิติ (zero-dimensional (OD) systems) คือวัสดุหรือโครงสร้างที่มีมิติทางกายภาพทั้งสามมิติถูกจำกัดอยู่ในช่วงนาโนเมตร เช่น กลุ่มก้อนของโลหะที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในระดับนาโนเมตรซึ่งวางอยู่บนชั้นกราไฟต์
2. ระบบหนึ่งมิติ (one-dimensional (1D) systems) คือวัสดุหรือโครงสร้างที่มีมิติทางกายภาพสองมิติถูกจำกัดอยู่ในช่วงนาโนเมตรแต่มิติที่เหลืออีกหนึ่งมิติไม่ถูกจำกัดขนาด ยกตัวอย่างเช่น ลวดนาโน (nanowires) หรือท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotubes) ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในระดับนาโนเมตรแต่มีความยาวของท่ออยู่ในระดับไมโครเมตรหรือมิลลิเมตร เป็นต้น
3. ระบบสองมิติ (two-dimensional (2D) systems) คือวัสดุหรือโครงสร้างที่มีมิติทางกายภาพหนึ่งมิติถูกจำกัดอยู่ในช่วงนาโนเมตรแต่มิติที่เหลืออีกสองมิติไม่ถูกจำกัดขนาด ยกตัวอย่างเช่น ฟิล์มบางในระดับนาโน (nano-thin film) ที่เกิดจากการประกอบตัวเองของอะตอมหรือโมเลกุล เป็นต้น

วัสดุหรือโครงสร้างที่มีระบบมิติต่ำ จะมีสภาวะอิเล็กทรอนิกส์ที่มีลักษณะไม่ต่อเนื่อง แต่จะมีค่าได้อย่างจำเพาะเท่านั้น ลักษณะเช่นนี้เรียกว่า ควอนไทเซชัน (quantization) การเกิดควอนไทเซชัน ของสภาวะอิเล็กทรอนิกส์ จะนำไปสู่การเกิดสมบัติใหม่ๆ และปรากฏการณ์ใหม่ๆ เช่น การแสดงผลของปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่ถูกกักขังไว้ (quantum confinement effects) อิทธิพลอิเล็กตรอนเดี่ยว (single electron effect) การปิดกั้นแรงระหว่างประจุไฟฟ้า (Coulomb) การกักขังเอ็กซิตอน (exciton confinement) ปรากฎการณ์การขยับเคลื่อนของสเปกตรัม (spectrum shift) ควอนไทเซชันของโฟนอน (phonon quantization) เป็นต้น


alt
รูปแสดงความสัมพันธ์ระหว่างระดับพลังงานกับความหนาแน่นของสถานะ (density of states, DOS) อิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุต่างๆที่มีการเปลี่ยนแปลง ไปตามการลดขนาดมิติใดมิติหนึ่งของวัสดุให้มีขนาดอยู่ในระดับนาโน ยกตัวอย่างเช่น หมุดควอนตัม (quantum dot)ซึ่งเป็นวัสดุนาโนที่มีมิติทางกายภาพ ทั้งสามมิติอยู่ในระดับนาโนจะมีลักษณะความหนาแน่น ของสถานะอิเล็กทรอนิกส์แยกออกจากกันเป็นชั้นๆ อย่างชัดเจนคล้ายกับลักษณะที่พบในอะตอม ซึ่งแตกต่างไปจากวัสดุชนิดเดียวกันที่มีขนาดใหญ่อย่างสิ้นเชิง

 

2. โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างไปจากเดิม

โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ (electronic structures) เป็นตัวกำหนดพฤติกรรม ของอิเล็กตรอน ในวัสดุเมื่อวัสดุนั้น อยู่ในสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก เช่นสมบัติในการเป็นตัวนำ เป็นสารกึ่งตัวนำ หรือเป็นฉนวน โดยที่โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ ของวัสดุก็ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของอะตอมที่อยู่ภายในวัสดุ และลักษณะการจัดเรียงตัว โดยที่วัสดุนาโนทุกประเภท จะมีมิติทางกายภาพ อย่างน้อยหนึ่งมิติ ที่ถูกจำกัดขนาดเอาไว้ภายในระดับนาโน จึงเป็นการบีบบังคับให้อิเล็กตรอน ในวัสดุนาโนสามารถเคลื่อนที่ได้ในปริมาตรที่จำกัดเท่านั้น จึงทำให้ปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่ถูกกักขังไว้ (quantum confinement) ปรากฎออกให้เห็นอย่างชัดเจน โดยที่ปรากฏการณ์ดังกล่าว ไม่เคยเกิดขึ้นหรือเกิดขึ้นน้อยมากในวัสดุปกติ
 

alt
ทฤษฏีแถบพลังงานของของแข็ง (band theory of solids) เป็นทฤษฏีที่ใช้อธิบายสมบัติทางไฟฟ้าของของแข็ง โดยพิจารณาจาก ระดับชั้นพลังงานของอะตอมองค์ประกอบ และอันตรกิริยา ระหว่างอะตอมทั้งหมดในของแข็งนั้น ตามทฤษฏีนี้ อิเล็กตรอนจะสามารถมี พลังงานได้เฉพาะบางช่วง (allowed band) และไม่สามารถมีพลังงานได้ในบางช่วงที่เรียกว่า forbidden band ทฤษฏีนี้สามารถ อธิบายสภาพการนำไฟฟ้าของตัวนำ (โลหะ) สารกึ่งตัวนำ และฉนวนได้

การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของสสารต่างๆ จะส่งผลให้สมบัติทางไฟฟ้า สมบัติทางแม่เหล็ก และสมบัติทางแสง ของสสารเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม เช่น ช่วงว่างระหว่างชั้นพลังงาน (energy band gap) ของสารกึ่งตัวนำจะแตกต่างกันไป ตามขนาดของอนุภาคในระดับนาโน ยกตัวอย่างเช่น หมุดควอนตัม ซึ่งเป็นอนุภาคนาโน ของสารกึ่งตัวนำหรือโลหะ จะมีสีสันที่แตกต่างกันไป ตามขนาดและส่วนประกอบ ของอนุภาค อันเนื่องมาจาก โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของหมุดควอนตัม มีการเปลี่ยนแปลงไปตามขนาดหมุด จึงทำให้สามารถ นำหมุดควอนตัม ไปใช้แทนสีย้อมฟลูออเลสเซนต์ เพื่อใช้ในการติดฉลาก และย้อมสีเซลล์สิ่งมีชีวิต ได้เป็นอย่างดี หรือ การใช้หมุดควอนตัมเป็นไดโอดเปล่งแสง (LED) หรือนำไปใช้ในแทนแสงเลเซอร์ ในอุปกรณ์โทรคมนาคมแบบไฟเบอร์ออพติก นอกจากนี้ยังสามารถนำหมุดควอนตัม ไปประยุกต์ใช้เป็นชิ้นส่วน ของอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ (nanoelectronics) ชนิดต่างๆได้เป็นอย่างดี
นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ ยังมีผลต่อสภาพการนำไฟฟ้าของโลหะ โดยที่โลหะแบบก้อนใหญ่ (bulk metal) จะมีแถบการนำ (conduction band) ที่เกิดจากการจัดเรียงชั้นพลังงาน ของอะตอมอิสระ ที่มาประกอบกันต่อเนื่องกันไป แต่เมื่อโลหะมีขนาดอนุภาคเล็กลงไป จะทำให้ฟังก์ชันคลื่นของวาเลนซ์อิเล็กตรอน เริ่มถูกกักขังอยู่ในบริเวณที่จำกัด ซึ่งจะส่งผลให้ระดับชั้นพลังงานต่างๆ ถูกแยกออกเป็นชั้นเดี่ยวๆ อย่างชัดเจน คล้ายกับระดับชั้นพลังงานของอะตอมเดี่ยว จึงทำให้สมบัติทางไฟฟ้าของโลหะ มีการเปลี่ยนแปลง ระหว่างการเป็นโลหะกับฉนวน (metal-insulator transition) ซึ่งขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาค เช่น กลุ่มก้อนอะตอมโลหะที่ประกอบขึ้นโลหะ 13 อะตอม จะไม่มีสมบัติในการเป็นโลหะแต่ประการใด แต่เมื่อกลุ่มก้อนอะตอมมีขนาดใหญ่ขึ้น เช่นมีอะตอมมากกว่า 309 อะตอมขึ้นไป จะมีสมบัติเหมือนกับโลหะแบบก้อนใหญ่ปกติ

alt
รูปแสดงช่วงว่างระหว่างแถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำแบบก้อนใหญ่และ
อนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวนำ (หมุดควอนตัม) ที่มีลักษณะแตกต่างกันไปตามขนาดของอนุภาค



3. อิทธิพลจากปรากฏการณ์ทางควอนตัม และ ทวิภาคระหว่างคลื่น-อนุภาค


อิทธิพลจากปรากฏการณ์ทางควอนตัม
หลักเกณฑ์ต่างๆของฟิสิกส์ในระดับนาโนเมตร (nanoscale physics) ซึ่งเป็นรากฐานสำคัญของนาโนศาสตร ์และนาโนเทคโนโลยี จะแตกต่างไปจาก ฟิสิกส์แบบดั้งเดิม (classical physics) อย่างเช่น วิชากลศาสตร์ของนิวตัน ที่เราเข้าใจและรู้จักกันดี ทั้งนี้เป็นเพราะว่าในระดับความเล็ก ขนาดหนึ่งในพันล้านของเมตรนั้น กฎเกณฑ์และหลักการต่างๆ ที่สามารถใช้อธิบายพฤติกรรม ของสสารและปรากฏการณ์ใหม่ๆ จะต้องอาศัยกลศาสตร์ควอนตัม (quantum mechanics) และฟิสิกส์แผนใหม่ที่กำลังพัฒนากันอยู่ในขณะนี้
ที่ความเล็กในระดับอะตอมนั้น พลังงานที่สสารได้รับนั้น ไม่ได้มีลักษณะเป็นกระแสต่อเนื่อง ที่ไม่มีขีดสิ้นสุด แต่จะมีค่าที่แน่นอน และมีค่าได้เฉพาะบางค่าเท่านั้น โดยการรับและให้พลังงาน จะมีลักษณะคงที่แบบทีละก้อน ทีละก้อน โดยที่กลุ่มก้อนเหล่านี้เรียกว่า “ควอนต้า (quanta)” ยกตัวอย่างเช่น อะตอมจะปลดปล่อย หรือดูดกลืนพลังงาน ออกมาทีละควอนตัม หรือการที่แสงสามารถประพฤติตัวเป็นอนุภาคได้ ก็จะเรียกว่า ควอนตัมของแสง หรือ โฟตอน (photon) เป็นต้น โดยการลดและการเพิ่มพลังงาน ในรูปของควอนตัม จะเป็นไปในลักษณะ ที่เป็นจำนวนเต็มเท่านั้น เช่น หนึ่งควอนตัม สองควอนตัม แต่จะไม่มีการให้หรือรับ ทีละครึ่งควอนตัม

ทวิภาคระหว่างคลื่น-อนุภาคของสสาร (wave-particle duality)
ในปี ค.ศ. 1924 เดอบรอยล์ (Louis de Broglie) ได้เสนอแนวคิดว่า อนุภาคอาจมีพฤติกรรม ในการเป็นคลื่นได้ด้วย ซึ่งเขาได้เชื่อมโยงความสัมพันธ์ระหว่างโมเมนตัมของอนุภาคเข้ากับความยาวคลื่นของอนุภาคดังสมการ p = h/ความยาวคลื่น (h = ค่าคงที่ของพลังค์)
อิเล็กตรอนและอะตอม สามารถแสดงพฤติกรรม ในการเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค เช่น ในกรณีที่เป็นอนุภาค ก็สามารถแสดงคุณสมบัติในการกระเจิง (scattering) ได้ หรือในกรณี ที่เป็นมีสมบัติเป็นคลื่น ก็สามารถแสดงการแทรกสอด(interference) ได้ อนุภาคควอนตัม สามารถแสดงพฤติกรรมเป็นคลื่นได้ โดยเกิดการแทรกสอดกันขึ้น เมื่ออนุภาคควอนตัม เคลื่อนที่ผ่านช่องแคบคู่ นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าทั้งอิเล็กตรอน อะตอม และโมเลกุลขนาดเล็ก สามารถแสดงสมบัติทวิภาคระหว่างคลื่น-อนุภาคได้
แต่ในความเป็นจริงแล้ว อนุภาคทุกชนิด สามารถแสดงสมบัติในการเป็นคลื่นได้ทั้งสิ้น โดยเมื่อพิจารณาจากสมการ p = h/ความยาวคลื่น จะพบว่ายิ่งอนุภาคหรือวัตถุมีมวลมากขึ้นเท่าไร ก็จะส่งผลให้ มีค่าความยาวคลื่นของวัตถุ มีค่าน้อยลงเท่านั้น ยกตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนซึ่งมวลเท่ากับ 9.11 x 10-31 กิโลกรัม จะมีความยาวคลื่นเท่ากับ 0.24 นาโนเมตร ออกซิเจน (O2) มีความยาวคลื่นเดอบรอยล์ (de Broglie wavelength) เท่ากับ 4 x 10-11 เมตรที่อุณหภูมิห้อง โมเลกุลดีเอ็นเอมีความยาวคลื่นเพียงแค่ประมาณ 10 เมตร ในขณะที่ น้ำปริมาตรหนึ่งลูกบาศก์เซ็นติเมตร จะมีความยาวคลื่น สั้นเพียงแค่ประมาณ 2 x 10-37 เมตรเท่านั้น ดังนั้น จึงทำให้วัตถุขนาดใหญ่ มีค่าความยาวคลื่นน้อยมาก จนสามารถละทิ้งได้
เราไม่เคยสัมผัสถึงพฤติกรรม ในการเป็นคลื่นของวัสดุที่พบในชีวิตประจำวัน
 


alt

โครงสร้างโมเลกุลของฟลูออโรฟูลเลอรีน (fluorofullerene, C60F48) ซึ่งเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่สุด ที่ถูกค้นพบว่าสามารถแสดงพฤติกรรม ในการแทรกสอดซึ่งเป็นคุณสมบัติของคลื่นได้



4. อิเล็กตรอนทันเนลลิ่ง (Electron tunneling)


อิเล็กตรอนทันเนลลิ่ง (Electron tunneling)
เป็นกลศาสตร์ควอนตัม ที่เป็นผลมาจากคุณสมบัติ ในการเป็นคลื่นของอิเล็กตรอน ทำให้อิเล็กตรอน สามารถเคลื่อนที่ข้ามหรือทะลุผ่านสิ่งกีดขวาง ที่โดยปกติแล้วอิเล็กตรอน ไม่สามารถข้ามผ่านไปได้ ปรากฏการณ์นี้ จะเกิดขึ้น เมื่อคลื่นของอิเล็กตรอน เคลื่อนที่ไปพบสิ่งกีดขวาง โดยที่ความหนาของสิ่งกีดขวางนั้น มีความบางมาก จนคลื่นของอิเล็กตรอนบางส่วน สามารถลอดผ่าน ออกไปยังอีกฝั่งหนึ่งของสิ่งกีดขวางได้


alt

ภาพนี้แสดงให้เห็นว่าเมื่ออิเล็กตรอน (ในกรณีที่พฤติกรรมเป็นคลื่น) กระทบกับผนังกั้น หรือกำแพงศักย์ คลื่นอิเล็กตรอน จะไม่หยุดการเคลื่อนลงอย่างสิ้นเชิง แต่จะมีช่วงคลื่นลดลงแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลภายในผนังกั้น ซึ่งถ้าผนังมีความหนามาก ก็จะสามารถกั้นไม่ให้อิเล็กตรอนข้ามผ่านไปอีกฝั่งหนึ่งได้ แต่ในกรณีที่ผนังกั้นมีความบางมาก เช่น หนึ่งนาโนเมตร จะพบว่าบางส่วน ของคลื่นอิเล็กตรอน จะสามารถเล็ดลอด หรือเกิดการทัลเนลลิ่ง ผ่านมาอีกฝั่งหนึ่งของผนังกั้นได้ ปรากฏการณ์นี้ ทำให้ดูเหมือนกับว่า สามารถพบอิเล็กตรอนอยู่นอกผนังได้


ซึ่งขัดแย้งกับกลศาสตร์แบบดั้งเดิม ที่พบว่าอิเล็กตรอน ที่ไม่มีพลังงานมากพอนั้น จะไม่สามารถทะลุผ่านผนัง หรือกำแพงศักย์ ออกไปอีกฝั่งหนึ่งได้ นอกจากนี้ โอกาสในการเกิดการทะลุลอดกำแพง หรือทัลเนลลิ่งนั้น จะขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาค โดยอนุภาคที่มีมวลน้อย จะสามารถเกิดทัลเนลลิ่งได้ดีกว่า อนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า ดังนั้นอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยมาก จึงสามารถเกิดทันเนลลิ่งได้
ตัวอย่างจากการนำปรากฎการณ์ทัลเนลลิ่ง ไปใช้ประโยชน์ ที่เห็นได้ชัด ตัวอย่างหนึ่ง ก็คือ การประดิษฐ์กล้องสแกนนิ่งทัลเนลลิ่งไมโครสโคป หรือ เอสทีเอ็ม (Scanning tunneling microscope, STM) ที่สามารถใช้ถ่ายภาพอะตอมได้ โดยการถ่ายภาพอะตอม ของวัตถุด้วยกล้อง STM อาศัยกระแสไฟฟ้าที่ผ่านทะลุ (tunneling current) ระหว่างหัวเข็มโลหะ และผิวหน้าตัวอย่าง ที่วางบนชิ้นส่วนของกล้อง ที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ เมื่อหัวเข็มเคลื่อนที่เข้าใกล้ผิวหน้าตัวอย่างมาก (ประมาณ 1 นาโนเมตร) ก็จะทำให้ มีกระแสไฟไหลได้ ทั้งที่ยังไม่มีการสัมผัสกัน จากนั้นจะอาศัยกระแสไฟฟ้านี้ ในการสร้างภาพสามมิติ โดยการรักษาระยะห่าง ระหว่างหัวเข็มและผิวหน้าของตัวอย่างไว้ ให้คงที่ ในระหว่างที่มีกำลังสแกนผิวหน้าตัวอย่างอยู่ โดยที่หัวเข็ม จะเคลื่อนที่ขึ้นลง ไปตามความสูงต่ำของพื้นผิว และจะสแกนไปทีละแถวจนเต็มพื้นที่


alt

รูปแสดงการทำงานของกล้อง STM ที่อาศัยการวัดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการทะลุผ่านของอิเล็กตรอนระหว่างหัวเข็มกับพื้นผิวตัวอย่าง


กล้อง STM ไม่เพียงแต่ใช้ ในการควบคุมตำแหน่งของแต่ละอะตอมเท่านั้น แต่ยังสามารถ ใช้ควบคุมสภาพอิเล็กโทรนิกส์ได้อีกด้วย ยกตัวอย่างเช่น การจัดเรียงอะตอมเหล็ก 48 อะตอม เป็นรูปวงรี บนผิวชั้นอะตอมของทองแดง เพื่อใช้เป็นคอก กั้นอิเล็กตรอนผิวหน้า และบังคับให้อิเล็กตรอนเหล่านั้น จัดตัวอยู่ใน สถานะควอนตัม (quantum state) ภายในวงรี โดยระลอกคลื่น ที่เกิดขึ้นภายในวงรีของอะตอมเหล็ก ก็คือการกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอน ในบางสถานะควอนตัมที่เกิดขึ้น ภายในวงรี โดยที่นักวิทยาศาสตร์ สามารถทำนายปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นภายในวงรีนี้ได้ โดยอาศัยการคำนวณแบบ “อนุภาคอยู่ในกล่อง (particle in-the-box)”


STM Image - the Quantum Corral
รูปคอกควอนตัม (quantum corral) ที่ถูกสร้างขึ้นด้วยกล้อง STM แสดงให้เห็นลักษณะของคลื่นอิเล็กตรอนบนชั้นอะตอมของทองแดง


นอกจากนี้กล้อง STM ยังสามารถใช้ ในการพิสูจน์แนวคิด หรือสมมุติฐานต่างๆ เกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางควอนตัม ได้เป็นอย่างดี เช่นการตรวจสอบปรากฏการณ์คอนโด้ (Kondo effect) โดยการใช้หัวเข็มของกล้อง STM วางอะตอมโคบอลต์ (โคบอลต์เป็นอะตอมที่มีสมบัติแม่เหล็ก) หนึ่งอะตอม ลงบนบริเวณฝั่งหนึ่งของคอกควอนตัม จะทำให้คลื่นอิเล็กตรอน บนพื้นผิวทองแดง เกิดการเปลี่ยนแปลง และทำให้อิเล็กตรอนมากระจุกตัวกัน บริเวณอีกฝั่งหนึ่งของคอกควอนตัม จนดูเหมือนว่ามีอะตอมโคบอลต์อีกอะตอมวางอยู่ ทั้งๆที่ ในความเป็นจริงแล้ว ไม่มีอะตอมโคบอลต์ อยู่ในบริเวณนั้นแต่อย่างใด


altalt

ภาพถ่ายจากกล้อง STM แสดงภาพควอนตัมมิราจ (quantum mirage)หรือภาพลวงตาที่เกิดจากปรากฏการณ์คอนโด้ โดยการใช้กล้อง STM วางอะตอมโคบอลต์ลงไปบริเวณฝั่งหนึ่ง ของคอกควอนตัมที่เกิดจากการวางอะตอมโคบอลต์ 36 อะตอมเป็นรูปวงรีบนชั้นอะตอมทองแดง โดยที่บริเวณที่เป็นนูนสูงขึ้นมา คือบริเวณที่มีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากกว่าบริเวณที่เป็นที่ราบ


5. หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก + แรงคาซิเมียร์ + แรงแวนเดอวาลส์

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 > hb , โดยที่ hb = 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 > hb ) คือ ถ้าเราต้องการวัดพลังงานของอนุภาค ให้มีความแม่นยำมากๆ เราก็จะต้องใช้เวลาวัดนานมากเช่นกัน จากหลักการนี้เอง ที่นักฟิสิกส์นำมาใช้เป็นเหตุผล ในการสนับสนุนแนวคิดที่ว่า ในความว่างเปล่า อย่างเช่น สุญญากาศ ก็สามารถ ทำให้เกิดพลังงานขึ้นมาได้เช่นกัน โดยมีหลักฐานสนับสนุนชิ้นสำคัญ คือ ปรากฏการณ์คาซิเมียร์ (Casimir effect) นั่นเอง
สำหรับคำถามที่ว่า แล้วทำไมเราไม่รู้สึกถึงผลที่เกิดจากหลักแห่งความไม่แน่นอนในชีวิตประจำวัน? อันนี้ก็เนื่องจากว่าค่าhb ที่ปรากฏอยู่ในสมการ มีค่าน้อยมาก (hb = 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
 


See Explanation.  Clicking on the picture will download  the highest resolution version available.

รูปแสดงชิ้นส่วนของอุปกรณ์เมมส์ (Micro-electromechanical systems, MEMS) ที่สามารถทำงานโดยใช้แรงคาซิเมียร์ (Credit & Copyright: Umar Mohideen, U. California at Riverside)


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
 


alt
 

กลุ่มก้อนโมเลกุลบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน (Buckminsterfullerene) หรือบัคกี้บอลที่เชื่อมติดกันด้วยแรงแวนเดอวาลส์
Single-wall carbon nanotubes alt


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


6. ควอนตัมคอมพิวเตอร์ (quantum computer)

สปิน (spin) เป็นสมบัติเชิงแม่เหล็ก ที่เกี่ยวข้องกับการหมุนของอนุภาค ที่ไม่ใช่การหมุนตามปกติ อิเล็กตรอนมีสปิน +1/2 และ -1/2 โดยที่ การเปลี่ยนแปลงกลับไปกลับมา ระหว่างสปิน 2 แบบนี้ สามารถนำไปใช้ กับระบบการทำงานแบบดิจิตอล ระบบเลขฐาน 2 ของคอมพิวเตอร์ โดยใช้สปิน +1/2 แทนที่ 1 และใช้สปิน -1/2 แทนที่ 0 ซึ่งจะนำไปสู่ การพัฒนาควอนตัมคอมพิวเตอร์ ที่มีหน่วยข้อมูลพื้นฐานที่เรียกว่าคิวบิต (qubit) อย่างไรก็ตาม ในสภาวะปกติอิเล็กตรอนจะมีคุณสมบัติ ที่ไม่แน่นอนตายตัว อาจเป็นได้ทั้ง 0 หรือ 1 หรือเป็นได้ทั้ง 1 และ 0 ในเวลาเดียวกันก็ได้ ซึ่งสภาวะดังกล่าวเรียกว่าสภาวะซูเปอร์โพสิชัน (superposition) ของ 0 และ 1 จึงทำให้อิเล็กตรอน สามารถทำงานสองอย่างไปได้พร้อมๆกัน จึงทำให้ แต่ละคิวบิต สามารถทำงานได้ เป็นกำลังสองเท่า ของบิตสามัญ (bit) ที่มีค่าเดียวกัน
จากปรากฏการณ์ดังกล่าวนี้เอง ที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ ได้พัฒนาควอนตัมคอมพิวเตอร์ (quantum computer) ขึ้นมา เพื่อใช้ในการคำนวณ เชิงควอนตัม ที่สามารถประมวลผล ได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน เป็นอย่างมาก เช่น สมมุติว่า ใช้คอมพิวเตอร์ ที่มีขนาดสองบิต ในการประมวลผลโจทย์เดียวกัน จะพบว่า ควอนตัมคอมพิวเตอร์ สามารถประมวลผล ทั้งสี่คำตอบ (“0,0” “0,1” “1,0” “1,1”) ได้ โดยใช้การประมวลผล เพียงครั้งเดียว เท่านั้น ในขณะที่คอมพิวเตอร์ธรรมดา ต้องใช้การประมวลผล ถึงสี่ครั้ง จึงจะได้คำตอบ ทั้งสี่ อย่างครบถ้วน
นอกจากนี้ คิวบิต ยังสามารถเชื่อมต่อกัน หลายๆ หน่วย โดยที่สภาวะ ของคิวบิตแต่ละหน่วย ยังสามารถส่งผล และมีความเกี่ยวโยง กับคิวบิตหน่วยอื่นๆ ได้ด้วย ซึ่งเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การพันกันหรือเอนแทงเกิลเมนต์ (entanglement)

 

ควอนไทเซชันของการสั่นของแลตทิซ
ในกลศาสตร์ควอนตัม โฟนอน (phonon) เป็นลักษณะหนึ่ง ของการสั่นสะเทือนของแลตทิซ (lattices) ที่มีทวิภาคระหว่าง คลื่น-อนุภาค โดยที่โฟนอน จัดเป็นพฤติกรรมเชิงอนุภาค ของการสั่นของแลตทิซ โดยที่ การศึกษาเกี่ยวกับพฤติกรรมของโฟนอน มีความสำคัญ เป็นอย่างมาก ต่อสาขาฟิสิกส์สถานะของแข็ง (Solid-state physics) ทั้งนี้ก็เพราะว่า โฟนอน เป็นมีบทบาทที่สำคัญ ต่อสมบัติทางกายภาพ ของของแข็งหลายประการ เช่น สมบัติในการนำความร้อน การนำไฟฟ้า หรือในบางครั้งโฟนอน ที่มีช่วงคลื่นยาว จะเป็นต้นกำเนิดของเสียงในของของแข็ง อย่างไรก็ตามพฤติกรรมต่างๆ ของโฟนอน ที่พบในวัสดุนาโน ซึ่งเป็นวัสดุ ที่มีมิติทางกายภาพถูกจำกัดขนาด จะมีความแตกต่างไปจาก พฤติกรรมของโฟนอน ในวัสดุแบบก้อนใหญ่ ซึ่งมีสาเหตุมาจาก ปรากฏการณ์ควอนไทเซชันของโฟนอนนั่นเอง
 



alt

รูปแสดงความหนาแน่นของสถานะโฟนอน (phonon density of states, PDOS) ของอะตอมคาร์บอนในท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังเดี่ยว (single-wall carbon nanotube) ซึ่งเป็นวัสดุระบบหนึ่งมิติ (1D) อะตอมคาร์บอนในชั้นกราฟีน (graphene) ซึ่งเป็นวัสดุระบบสองมิติ (2D) และอะตอมคาร์บอนในกราไฟต์ (graphite) ซึ่งเป็นวัสดุระบบสามมิติ (3D)

 

ซึ่งเมื่อพิจารณาแล้วจะเห็นได้ว่าลักษณะความหนาแน่นของสถานะโฟนอนของอะตอมคาร์บอนในวัสดุทั้งสามชนิดนี้จะแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง โดยที่อะตอมคาร์บอนในท่อนาโนคาร์บอนจะมีความหนาแน่นของสถานะโฟนอนไม่ต่อเนื่องกันและแยกออกเป็นช่วงๆ อย่างชัดเจน ซึ่งเกิดจากควอนไทเซชันของอนุภาคโฟนอน (เอกสารอ้างอิง: Science (2000) 289: 1730-1733)


7. 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


alt

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

 

alt

ลักษณะโครงสร้างผลึกในระดับนาโนของกลุ่มก้อนโลหะ

8. 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 จะประกอบขึ้นจากโดเมนแม่เหล็กหลายๆโดเมน

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 (superparamagneticlimit)” ซึ่งเกิดจากการที่หมุดนาโน มีสภาวะทางแม่เหล็กที่ไม่มั่นคง เพราะถูกแทรกแซงด้วยพลังงานความร้อน

อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันนี้ นักวิจัยของไอบีเอ็ม ได้ก้าวข้ามขีดจำกัดดังกล่าวไปได้ แล้วโดยการพัฒนา “พิซีดัสต์ (pixie dust)” ซึ่งมีลักษณะเป็นชั้นบาง ที่มีความหนาเพียงแค่รูทีเนียม (ruthenium, Ru) 3 อะตอม คั่นอยู่ระหว่างชั้นสารแม่เหล็กสองชั้น และทำงานได้โดยอาศัยสภาพแม่เหล็ก แอนติเฟอร์โร (antiferromagnetism)

 

alt
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 ภายนอกร่างกายเป็นต้น

 

alt

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
 


9. สีสันอันแปลกประหลาดของวัสดุนาโน
ทองคำแบบก้อนใหญ่ มีสีเหลือง อันเนื่องมาจากทองคำ ดูดกลืนแสงสีน้ำเงิน ที่อยู่ในช่วงปลายของสเปกตรัมคลื่นแสง ที่มองเห็นได้ แต่ถ้าย่อขนาดทองคำ ให้เล็กลงไปเรื่อยๆ จนมีขนาดอนุภาคเล็กกว่าความยาวคลื่นแสงที่มากระทบมากๆ จะทำให้ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า “เซอร์เฟจ พลาสมอน เรโซแนนซ์ (surface plasmon resonance, SPR)” ซึ่งจะทำให้อนุภาคทองคำ เปลี่ยนไปดูดกลืนแสงสีเขียว (ความยาวคลื่นประมาณ 520 นาโนเมตร) แทน ซึ่งจะส่งผลให้อนุภาคนาโนของทองคำ มีสีแดงทับทิม (ruby red) !!
อย่างไรก็ตามถ้าควบคุมให้อนุภาคนาโนทองคำ กลับมารวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อนที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ก็จะทำให้ทองคำเปลี่ยนไป เป็นสีอื่นได้ตั้งแต่สีชมพูจนถึงสีม่วง ซึ่งปรากฏการณ์นี้เอง สามารถนำทองคำนาโน ไปประยุกต์ใช้ในการเป็นไบโอเซ็นเซอร์ ตรวจจับสารชีวภาพ ชนิดต่างๆ หรือนำไปใช้ทางด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์


alt


เซอร์เฟจ พลาสมอน เรโซแนนซ์ เป็นคลื่นความหนาแน่นของประจ ุที่เกิดจากการสั่นของอิเล็กตรอนอิสระ ที่มีลักษณะการสั่นพร้อมเพรียงกัน เป็นปรากฏการณ์ ที่เกิดขึ้นบริเวณรอยผิวต่อของโลหะกับสารไดเล็กทริก เช่น ระหว่างทองหรือเงินกับอากาศหรือสารละลาย โดยที่ขนาด ยอดคลื่น และความกว้าง ของสเปกตรัมพลาสมอนเรโซแนนต์ของวัสดุต่างๆ จะขึ้นอยู่กับขนาด รูปร่าง ประเภทของวัสดุ และสภาพแวดล้อมรอบๆวัสดุนั้น
โลหะชนิดอื่น นอกเหนือไปจากทองคำ ก็สามารถแสดงปรากฏการณ์เชิงแสง ในลักษณะเดียวกันนี้ได้เช่นกัน เช่นอนุภาคนาโนของเงิน จะมีสีเหลืองเข้ม แทนที่จะเป็นสีเงินวาวที่เราคุ้นเคย อย่างไรก็ตามโลหะส่วนใหญ่ จะมีความถี่เรโซแนนต์ อยู่ในช่วงใกล้รังสียูวีซึ่งอยู่นอกสเปกตรัม ของช่วงแสงที่มองเห็น นอกจากนี้อนุภาคนาโน ของโลหะเกือบทุกชนิด ไม่สามารถคงตัวอยู่ในรูปอนุภาคนาโน ได้นานในสภาวะแวดล้อมตามปกติ ทำให้เราไม่ค่อยพบปรากฏการณ์นี้ในโลหะชนิดอื่นๆ


alt
รูปแสดงการเปรียบเทียบลักษณะการดูดกลืนแสงของโลหะอัลคาไลน์ที่แตกต่างกันไปตามขนาดของกลุ่มก้อนอะตอมโลหะ (a) อะตอมโลหะ (b) โลหะแบบก้อนใหญ่ และ (c) อนุภาคนาโนของโลหะ
 


สมบัติในการดูดกลืนแสง อันแปลกประหลาดของอนุภาคนาโนชนิดต่างๆ ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้อย่างมากมาย เช่นการผลิตเปลือกนาโน (nanoshell) ซึ่งมีลักษณะเป็นอนุภาคทรงกลม ที่มีเปลือกนอกเป็นชั้นทองคำ ห่อหุ้มแกนกลางที่เป็นสารไดอิเล็กทริก (dielectric) เช่น ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) ซึ่งจะทำให้สมบัติเชิงแสง ของอนุภาคนาโนดังกล่าวเปลี่ยนแปลง ไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง คือสามารถดูดกลืนคลื่นในช่วงใกล้อินฟราเรด (near infra-red) แทนที่จะดูดกลืนคลื่นในช่วงแสงที่มองเห็น ทำให้สามารถนำเปลือกนาโน ไปพัฒนาเป็นวิธีการทำลายเซลล์มะเร็ง โดยการใช้ความร้อนได้ (hyperthermia)
 


10. คุณสมบัติที่เปลี่ยนไป (เชิงเคมี เชิงกล การละลาย จุดหลอมเหลว)
 

พื้นที่ผิวหน้าที่แปลกประหลาดและความว่องไวในการปฏิกิริยาเคมี

วัสดุที่มีขนาดในระดับนาโนเมตร จะมีอัตราส่วนระหว่างพื้นที่ผิวต่อปริมาตร (surface-to-volume) สูงมาก เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุชนิดเดียวกัน ที่มีขนาดใหญ่กว่า ยกตัวอย่างเช่น อนุภาคทองคำที่มีขนาด 2 นาโนเมตรจะมีพื้นที่ผิวสูงถึง 150 ตารางเมตรต่อกรัมเลยทีเดียว

alt

ภาพแสดงการประมาณจำนวนอะตอมและพื้นที่ผิวของอนุภาคทองคำนาโนที่มีขนาดแตกต่างกัน


สัดส่วนของอะตอมผิวหน้า 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

alt
รูปเปรียบเทียบจำนวนอะตอมผิวหน้า (สีแดง) ของวัสดุแบบก้อนใหญ่กับอนุภาคที่มีขนาดในระดับนาโน


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

S/S0 = exp [2GV/rRT]

โดยที่ค่า S/S0 คือ อัตราส่วน ระหว่างการละลาย ของอนุภาคกับการละลายของวัสดุแบบก้อนใหญ่,

G คือ แรงตึงผิว,

V คือ ปริมาตรในหน่วยโมลาร์,

r คือ รัศมีของอนุภาค,

R คือ ค่าคงที่ของก๊าซ และ

T คือ อุณหภูมิห้อง (K)

ยกตัวอย่างเช่น อนุภาคควอตซ์ที่มีรัศมีประมาณ 100 นาโนเมตร จะมีค่าการละลายใกล้เคียงกับควอตซ์แบบก้อนใหญ่ (bulk quartz) แต่อนุภาคควอตซ์ที่มีรัศมี 1 นาโนเมตรจะมีค่าการละลายสูงกว่าควอตซ์ปกติเกือบ 1,000 เท่า

alt

รูปแสดงการเปรียบเทียบความสามารถในการละลายของควอตซ์ที่มีเกรนในระดับนาโนเมตร กับควอตซ์แบบก้อนใหญ่(เอกสารอ้างอิง: Rev. Mineral. (1990) 23: 133)
 

 

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


alt

รูปแสดงอุณหภูมิ ณ จุดหลอมเหลวของแคดเมียมซัลไฟด์ที่มีขนาดผลึกแตกต่างกัน


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
 

alt

ภาพแสดงลักษณะเกรนของวัสดุแบบก้อนใหญ่เปรียบเทียบกับเกรนของวัสดุนาโน


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
 

alt

กราฟแสดงความแข็งของทองแดงที่ขึ้นอยู่กับขนาดเกรนของทองแดง
(กราฟนี้ดัดแปลงมาจากข้อมูลของ R.W. Siegel และ Lim and Chaudri)

 


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


11. ปรากฏการณ์ใหม่ๆที่เกิดขึ้นจากกฎการเปลี่ยนขนาด (Scaling law)

นาโนเทคโนโลยี ไม่ได้เป็นแค่เพียงการพยายามย่อขนาด ของสิ่งต่างๆให้เล็กลง ไปในระดับนาโนเมตร แต่ยังเป็นเทคโนโลยี ในการประกอบชิ้นส่วนประกอบต่างๆ ที่มีขนาดเล็กในระดับนาโนเมตร ดังนั้นจึงต้องมีการคำนึงถึง ปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้น และเปลี่ยนแปลงไป เมื่อมีขนาดเล็กลง เช่นการที่วัตถุ มีขนาดเล็กลง จะทำให้อัตราส่วน ของพื้นที่ผิวต่อปริมาตรมากขึ้น และสิ่งที่เราต้องระลึกถึงอยู่เสมอ ในขณะที่เรากำลังพยายามลดขนาด สิ่งใดสิ่งหนึ่งก็คือ“ในขณะที่ระบบหรือวัตถุมีขนาดลดลง เราต้องไม่ลืมว่า เราไม่อาจลดขนาดสิ่งต่างๆ ได้อย่างมีสัดส่วนเสมอไป”
ส่วนการที่วัตถุมีขนาดเล็กลง จะทำให้อัตราส่วนของพื้นที่ผิวต่อปริมาตร มากขึ้น ซึ่งทำให้มีทั้งข้อดีและข้อเสียดังนี้
1. แรงเสียดทาน (friction force) จะมีอิทธิพลมากกว่าความเฉื่อย (internal force) จึงทำให้แรงตึงผิว (surface tension) แรงไฟฟ้าสถิตย์ (electrostatic force) และแรงดึงดูดระหว่างผิวอะตอม จะมีผลเป็นอย่างมาก ต่อการทำงานของอุปกรณ์ขนาดเล็กๆ
2. การสูญเสียความร้อน (heat dissipation) จะมีค่ามากกว่าการกักเก็บความร้อน (heat storage) จึงทำให้มีผลต่อการนำความร้อน (thermal conduction) และการถ่ายเทความร้อน (thermal transport) ในโครงสร้างขนาดเล็ก
3. การถ่ายเทมวล (mass transportation) และพลศาสตร์ของไหล (fluid dynamics) จะมีผลเป็นอย่างมากเมื่อปริมาตรของของไหล มีค่าน้อยลง ซึ่งคุณสมบัติในข้อนี้มีผลเป็นอย่างมาก ในการควบคุมทิศทางการไหล ของของเหลวภายในท่อหรือร่องเล็กๆ ของอุปกรณ์ประเภทไมโครฟลูอิดิกส์ (microfluidics) ที่ต้องควบคุมการไหล ของของเหลวให้ได้ในระดับไมโครลิตร (10-6 ล.) หรือนาโนฟลูอิดิกส์ (nanofluidics) ต้องควบคุมการไหลของของเหลวให้ได้ในระดับนาโนลิตร(10-9 ล.) หรือพิโคลิตร (10-12 ล.)
4. คุณสมบัติของของเหลวที่ระดับนาโนจะขึ้นอยู่กับความหนืด (viscosity) เป็นหลัก ยกตัวอย่างเช่น น้ำที่ระดับนาโน จะมีคุณสมบัติแตกต่าง ไปจากน้ำที่เราคุ้นเคยเป็นอย่างมาก นั่นคือน้ำในระดับนาโน จะเป็นของเหลวที่มีความหนืดและเหนียวมาก ทำให้วัตถุขนาดเล็กต่างๆ ที่ถูกห้อมล้อมไปด้วยโมเลกุลน้ำจะเคลื่อนที่ได้ช้า
5. การสร้าง การประกอบ การบรรจุวัสดุและอุปกรณ์ขนาดเล็กในระดับนาโนทำได้ยาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องพัฒนาวิธีการใหม่ๆ มาใช้


Movie Clipalt

รูปแสดงส่วนหนึ่งของภาพยนตร์เรื่อง Fantastic Voyage ซึ่งสร้างจากบทประพันธ์ของ Isaac Asimov และออกฉายในปี ค.ศ. 1966
 

เป็นเรื่องราว เกี่ยวกับการย่อส่วนกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ และเรือดำน้ำจิ๋วให้เล็กลง จนสามารถเดินทางเข้าไปในร่างกาย ผู้ป่วยผ่านทางกระแสเลือดไปยังจุดเป้าหมายในการรักษาแต่ในความจริงแล้วนั้น... เหตุการณ์ดังกล่าวก็คงเป็นได้เพียงความฝันเท่านั้น
เพราะสมบัติของของเหลว และสสารที่เล็กในระดับนาโนนั้น จะแตกต่างไปจากคุณสมบัติที่เราคุ้นเคย เป็นอย่างมาก เช่น ของเหลวจะมีความหนืดและเหนียวมาก หรือการที่อะตอมแต่ละตัวในโมเลกุลหนึ่ง จะทำปฏิกิริยากับอะตอมแทบทุกตัว ที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียง ดังนั้นการที่เรือดำน้ำจิ๋วนี้เคลื่อนที่ หรือทำงานได้อย่างในภาพยนตร์ จึงแทบจะไม่มีโอกาสเป็นไปไม่ได้เลย ในทางปฏิบัติ
อย่างไรก็ตามจักรกล ที่มีอยู่ในธรรมชาติ เช่น เอนไซม์ ATPase เฟลกเจลลาร์ของแบคทีเรีย (bacterial flagella)และโปรตีนไมโอซิน-วี (myosin-v) ซึ่งทั้งหมดล้วนแล้วแต่เป็นจักรกลชีวภาพที่เกิดจากการประกอบตัวเองของอะตอมชนิดต่างๆ และทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานให้กับเซลล์สิ่งมีชีวิต เป็นตัวขับเคลื่อน ให้เซลล์สิ่งมีชีวิตเคลื่อนที่ไปมาได้ และเป็นตัวขนส่งสารชีวโมเลกุล ภายในเซลล์สิ่งมีชีวิต ได้กลายเป็นแรงบันดาลใจ ที่ทำให้นักนาโนเทคโนโลยี พยายามหาวิธีการลอกเลียนแบบ เพื่อสร้างอุปกรณ์ขนาดนาโนชนิดต่างๆ เช่น การสร้างชิ้นส่วนต่างๆ ของอุปกรณ์นาโนด้วยวิธีแบบเล็กไปใหญ่ (bottom-up) เป็นต้น ดังนั้นอาจจะกล่าวได้ว่า “ยิ่งนาโนศาสตร์และนาโนเทคโนโลยีก้าวหน้ามากขึ้นเท่าไร ก็ยิ่งทำให้วิธีการ ที่มนุษย์ใช้ในการสร้างสิ่งต่างๆ เข้าใกล้วิธีที่ธรรมชาติใช้ในการสร้างสรรค์ สิ่งต่างๆ ขึ้นมามากขึ้นเท่านั้น”
 


 

บทสรุป
ทุกวันนี้ แนวโน้มในการพัฒนาทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ทุกสาขาวิชากำลังถูกย่อขนาดให้เล็กลง จนเข้าสู่ขนาดนาโนอย่างรวดเร็ว ยกตัวอย่างเช่น นักฟิสิกส์และวิศวกร ต่างก็พยายามหาวิธีการสร้างวัสด ุและอุปกรณ์ต่างๆ ให้มีขนาดเล็กลง ในขณะที่นักเคมี และนักชีววิทยา กลับพยายามหาวิธีการเชื่อมต่อ อะตอมและโมเลกุลต่างๆ เข้าด้วยกันเพื่อที่จะสังเคราะห์โครงสร้างเคมี ที่มีขนาดใหญ่มากขึ้นเรื่อยๆ
ดังนั้นสิ่งต่างๆ ที่มีความเล็กอยู่ในระดับนาโนนั้น จึงไม่ได้จำกัดอยู่ในวิทยาศาสตร์ สาขาใดสาขาหนึ่งเท่านั้น จึงเป็นผลทำให้นาโนศาสตร์ และนาโนเทคโนโลยี เปรียบเสมือนเป็นศูนย์รวมของวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีหลายแขนง ตั้งแต่ ฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา วัสดุศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ คอมพิวเตอร์ เป็นต้น นอกจากนี้การผสมผสานศาสตร์หลายๆ สาขาเข้าด้วยกันนั้น ยังเป็นการเปิดโอกาสให้เกิดศาสตร์ แขนงใหม่ขึ้นมาอีกมากมาย
เนื้อหาทั้งหมด ที่ปรากฎในบทความนี้ เป็นเพียงแค่ส่วนหนึ่ง ของความรู้ความเข้าใจ เกี่ยวกับนาโนศาสตร์ และนาโนเทคโนโลยี เท่านั้น แต่ปริศนาอันลึกลับ ของนาโนศาสตร์ และศักยภาพอันยิ่งใหญ่ของนาโนเทคโนโลยี ยังคงรอการค้นพบและยังคงรอเวลา ที่จะการพิสูจน์ศักยภาพของตัวเอง อยู่อีกมากมายในขณะนี้!

บทความจาก http://www.vcharkarn.com/varticle/324



Views: 1920

ความคิดเห็นแรก

Only registered users can write comments.
Please login or register.

Powered by AkoComment Tweaked Special Edition v.1.4.6
AkoComment © Copyright 2004 by Arthur Konze - www.mamboportal.com
All right reserved

< ก่อนหน้า   ถัดไป >
ขณะนี้มี 33 บุคคลทั่วไป ออนไลน์
สถิติผู้เยี่ยมชม
ผู้เยี่ยมชม: 10369932  คน
หนังสืออิเล็กทรอนิกส์
ฟิสิกส์ 1 (ภาคกลศาสตร์)
ฟิสิกส์ 1 (ความร้อน)
ฟิสิกส์ 2
กลศาสตร์เวกเตอร์
โลหะวิทยาฟิสิกส์
เอกสารคำสอนฟิสิกส์ 1
ฟิสิกส์ 2 (บรรยาย)
ฟิสิกส์พิศวง
สอนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต
ทดสอบออนไลน์
วีดีโอการเรียนการสอน
แผ่นใสการเรียนการสอน
เอกสารการสอน PDF
หน้าแรกในอดีต

ทั่วไป
การทดลองเสมือน
บทความพิเศษ
ตารางธาตุ(ไทย1)
พจนานุกรมฟิสิกส์
ลับสมองกับปัญหาฟิสิกส์
ธรรมชาติมหัศจรรย์
สูตรพื้นฐานฟิสิกส์
การทดลองมหัศจรรย์
กิจกรรมการทดลองทางวิทยาศาสตร์

บททดสอบ
แบบฝึกหัดกลาง
แบบฝึกหัดโลหะวิทยา
แบบทดสอบ
ความรู้รอบตัวทั่วไป
อะไรเอ่ย ?
ทดสอบ(เกมเศรษฐี)
คดีปริศนา
ข้อสอบเอนทรานซ์
เฉลยกลศาสตร์เวกเตอร์
แบบฝึกหัดออนไลน์

สรรหามาฝาก
คำศัพท์ประจำสัปดาห์
ความรู้รอบตัว
การประดิษฐ์แของโลก
ผู้ได้รับโนเบลสาขาฟิสิกส์
นักวิทยาศาสตร์เทศ
นักวิทยาศาสตร์ไทย
ดาราศาสตร์พิศวง
สุดยอดสิ่งประดิษฐ์
การทำงานของอุปกรณ์ทางฟิสิกส์
การทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ

การเรียนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต
การวัด
เวกเตอร์
การเคลื่อนที่แบบหนึ่งมิติ
การเคลื่อนที่บนระนาบ
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
การประยุกต์กฎของนิวตัน
งานและพลังงาน
การดลและโมเมนตัม
การหมุน
สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง
การเคลื่อนที่แบบคาบ
ความยืดหยุ่น
กลศาสตร์ของไหล
กลไกการถ่ายโอนความร้อน
เทอร์โมไดนามิก
คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร
คลื่น
การสั่น และคลื่นเสียง
ไฟฟ้าสถิต
สนามไฟฟ้า
ความกว้างของสายฟ้า
ตัวเก็บประจุ
ศักย์ไฟฟ้า
กระแสไฟฟ้า
สนามแม่เหล็ก
การเหนี่ยวนำ
ไฟฟ้ากระแสสลับ
ทรานซิสเตอร์
สนามแม่เหล็กไฟฟ้า
แสงและการมองเห็น
ทฤษฎีสัมพัทธภาพ
กลศาสตร์ควอนตัม
โครงสร้างของอะตอม
นิวเคลียร์

สมัครสมาชิก
เพื่อรับเอกสารเพิ่ม!