View
8
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
37 Bio & Nano
February-March 2013, Vol.39 No.227
ดร. ณฐพนธ ศภกาศนยนาโนเทคโนโลยแหงชาต
MEMS & NEMSในปจจบนน มเทคโนโลยหนงทมความส�าคญเปนอยางยงตอพฒนาการของสาขาวชาวทยาการหนยนตและระบบอตโนมต
นนกคอ เทคโนโลยระบบไฟฟาเครองกลจลภาค หรอ “เมมส” (Micro-Electro-Mechanical Systems: MEMS) นนเอง
อยางไรกตาม เทคโนโลย “เมมส” ทก�าลงมการใชกนอยในปจจบนน ก�าลงถกยอขนาดใหเลกลงไปเรอย ๆ จนถงระดบของนาโนเมตร
นนหมายความวา พฒนาการของเทคโนโลยระบบไฟฟาเครองกลขนาดนาโน หรอ “เนมส” (Nano-Electromechanical Systems:
NEMS) ทมขนาดเลกกวา มความไวสงกวา ท�างานไดหลากหลายกวา และใชพลงงานนอยกวาเทคโนโลยเมมสก�าลงจะเรมตนขนใน
อกไมนานน โดยประโยชนของเมมสและเนมสนน สามารถน�ามาประยกตใชงานในดานตาง ๆ ไดอยางมากมาย ดงนนบทความในนตยสาร
ฉบบนจงไดรวบรวมขอมลเกยวกบความหมายและประโยชนใชสอยของเทคโนโลยเมมสและเนมสในดานตาง ๆ ดงมรายละเอยด
ตอไปน
Bio & Nano
38
▲ ภาพถายของไมโครมอเตอรขนาด 3.81 มลลเมตร ของ แมกเลแลน เปรยบเทยบกบขนาดของ
หวเขมหมดทอยดานบน (Caltech Archives)
ระบบไฟฟาเครองกลจลภาค หรอ เมมส (MEMS)
ระบบไฟฟาเครองกลจลภาค หรอ เมมส เปนอปกรณหรอระบบทมขนาดเลกในระดบไมโครเมตร (10-6 เมตร) ประกอบดวยระบบไฟฟาและระบบกลไกเชงกลซงถกสรางขนดวยเทคโนโลยทางดานสารกงตวน�า (semiconductor) แบบเดยวกบทใชในการผลตวงจรรวม หรอ ไอซ (integrated circuit: IC) แตอปกรณเมมสจะ แตกตางไปจากอปกรณไมโครอเลกทรอนกสชนดอน ตรงทเมมสสามารถท�าหนาทเชงกลได เชน เซนเซอร (sensor) และแอกชเอเตอร (actuators) ทมความจ�าเปนตอการพฒนาอตสาหกรรมหลากหลายประเภท เชน เทคโนโลยสารสนเทศ เทคโนโลยหนยนต เทคโนโลยยาน-ยนต เทคโนโลยชวภาพและการแพทย เครองมอวดทางอตสาหกรรม และอปกรณชนดอน ๆ ทจ�าเปนตออตสาหกรรมในอนาคต
พฒนาการของอปกรณเมมสไดเรมตนขนอยางเปนรปธรรมเมอประมาณ 20 ปทแลว และไดเจรญรดหนาไปอยางรวดเรว ในปจจบนนอปกรณเมมสมขนาดเลกมากในขณะทมศกยภาพสงจน นาทง ไมวาจะเปนกระจกขนาดจว (micromirrors) หลายลานตวทถกบรรจอย ในโปรเจกเตอรแบบดจทล ไมโครเซนเซอรตรวจจบการเคลอนไหว (microscale motion sensors) ทท�าหนาทปลอยถงลมนรภยในรถยนต อปกรณไมโครฟลอดก (microfluidics) ทท�าหนาทเปนหองปฏบตการบนแผนชป (lab-on-a-chip) ทสามารถใชวเคราะหสารเคมและชวเคมปรมาณนอยมาก ๆ ได หรอแมกระทงรโมทเซนเซอรทสามารถวเคราะหคณสมบตของสงตาง ๆ ทอยบรเวณใตทองทะเลลก บรเวณรอยแตกของเปลอกโลก จากหวงอวกาศ หรอจากภายในรางกายสงมชวตแลวสงสญญาณกลบมาใหมนษยรบรไดอยางรวดเรว เปนตน
อยางไรกตาม เทคโนโลยทใชในการผลตอปกรณเมมสในขณะนเกอบทงหมดจะยงอยในระดบของไมโครเมตร และมอปกรณเมมสจ�านวนนอยมากทมขนาดเลกกวา 1 ไมโครเมตรลงไป โดยแนวโนม
▲ ศาสตราจารย รชารด ฟายนแมน (Richard Feynman) นกฟสกสรางวลโนเบลผทไดรบการ
ยกยองใหเปนบดาของนาโนเทคโนโลยก�าลงใชกลองจลทรรศนสองดไมโครมอเตอร (micro-
motor) ทถกสรางขนโดย วลเลยม แมกเลแลน (William McLellan) ผซงชนะค�าทาทายของฟายน
แมนในการสรางมอเตอรไฟฟาทมขนาดเลกกวา 1/64 นวไดส�าเรจเปนคนแรกเมอป พ.ศ.2503
(Caltech Archives)
ดงกลาวนแตกตางไปจากพฒนาการของเทคโนโลยวงจรรวมอยาง สนเชง เพราะวาในปจจบนนเทคโนโลยการผลตชพมขนาดเลกลงจนเกอบจะเขาสระดบนาโนแลว เชน ชปไมโครโปรเซสเซอรของเพนเทยม 4 ของอนเทลไดใชเทคโนโลยการผลตทระดบ 130 นาโนเมตร และในป พ.ศ.2553 เทคโนโลยการผลตชปจะถกยอขนาดลงไปจนเหลอเพยงแค 70 นาโนเมตรเทานน
จากมลเหตดงกลาวนเองทท�าใหนกวทยาศาสตรทมวสยทศนกวางไกลจ�านวนมากตางพากนหาวธการยอขนาดอปกรณเมมสใหมขนาดเลกลงจนถงระดบนาโน (ต�ากวา 100 นาโนเมตรลงไป) ใหได ซงนนกคอการเรมตนของเทคโนโลย “ระบบไฟฟาเครองกลขนาดนาโน หรอ เนมส (Nano-Electromechanical Systems: NEMS)” นนเอง
สวนประกอบของเมมสและเนมส
อปกรณระบบไฟฟาเชงกล ไมวาจะเปน เมมส หรอ เนมส กตามจะมสวนประกอบหลกอย 2 สวนดวยกน ไดแก 1. หนวยทท�าหนาทเชงกล (mechanical element) ท�า หนาทในการตอบสนองตอแรงกระท�าภายนอกโดยอาศยการหกเห (de-flects) หรอสนสะเทอน (vibrates) เปนหลก โดยหนวยทท�าหนาทเชงกลนจะแบงออกไดหลายประเภท เชน 1. ทอรชน บาลานซ (torsion balance) ซงตอบสนองโดยการหกเหเปนหลก 2. แคนตลเลฟเวอร (cantilever) ซงมลกษณะเปนคานขนาดเลกและถกใชเปนหวเขมอานของกลองจลทรรศนแบบโพรบสองกราด (scanning probe micros-copy) และ 3. ดบล แคลมเปด บม (doubly clamped beam) ทมลกษณะเปนคานขนาดเลกทสวนหวและทายถกยดตดอยกบท โดย หนวยเชงกลสองประเภทหลงจะตอบสนองโดยอาศยการสนสะเทอนเปนหลก ซงตรวจวดไดจากการเปลยนแปลงความกวางของคาบการแกวง (amplitude) ของออสซลเลเตอร (oscillators) 2. ตวแปรสญญาณ หรอ ทรานสดวเซอร (transducers) ท�าหนาทเปนตวอานผล โดยการเปลยนแปลงพลงงานเชงกลใหกลายเปนสญญาณทางไฟฟาหรอสญญาณเชงแสง (optics) หรอในบางกรณใชวธการวดสญญาณรบกวนทเกดขน โดยการใชตวแปรสญญาณ ขาเขาท�าหนาทควบคมหนวยทท�าหนาทเชงกลใหเกดการสนสะเทอนในระดบคงทอยตลอดเวลา และเมอมสญญาณรบกวนเกดขน กจะท�าให
39 Bio & Nano
February-March 2013, Vol.39 No.227
▲ เรโซเนเตอรเชงกล (mechanical resonator) ทถกสงเคราะหขนจากเทคนคซลคอนบนชนฉนวน
ซงสามารถหนนไปมาได เมอมคลนความถวทยเคลอนทผานขวอเลกโทรดทองค�า (gold electrode)
ในขณะทมสนามแมเหลกรนแรงได โดยทการหมนของเรโซเนเตอรจะท�าใหเกดสนามไฟฟา
ทถกตรวจวดไดโดยอเลกโทรดตรวจจบ (detection electrode)
การสนสะเทอนเปลยนแปลงไปจากเดม โดยทผลตางของการสน-สะเทอนกคอสญญาณทตองการวดนนเอง สวนสาเหตทท�าใหเกดสญญาณรบกวนขนไดกคอ 1. การเปลยนแปลงความดนทท�าใหเกดการเปลยนแปลงเชงกล 2. การเปลยนแปลงมวลของเรโซเนเตอรขนาดนาโน (nanoscale resonators) หลงจากดดซบสารเคมเอาไว หรอ 3. การเปลยนแปลงอณหภมทท�าใหคณสมบตในการยดหยนและแรงเครยดภายในของหนวยทท�าหนาทเชงกลเปลยนแปลงไป โดยผลลพธสดทายทเกดขนในสองกรณหลงคอการเปลยนแปลงความถในการสนสะเทอนของหนวยเชงกลนนเอง อปกรณทท�าหนาทเปนตวแปรสญญาณของระบบเชงกลในปจจบนน จะอาศยกลไกทางฟสกสประเภทตาง ๆ ไดแก ไฟฟาสถตแสง เพยโซอเลกทรก (piezoelectrics) แรงขบทางแมเหลก (magnetomo-tive) แมเหลกนาโน (nanomagnets) และอเลกตรอนทลเนลลง (elec-tron tunnelling) เปนตน
สาเหตทท�าใหเนมสมความสามารถสงกวาเมมส
อปกรณเนมสสามารถพลกโฉมวธการทใชตรวจวดการเคลอนไหวในระดบทเลกมาก ๆ หรอการตรวจวดแรงกระท�าทนอยมาก ๆ ได โดยเฉพาะอยางยงแรงทเกดขนในระดบโมเลกล ทเปนเชนนกเพราะวา อปกรณเนมสมขนาดทเลกมากและมน�าหนกนอยมาก ดวยเทคโนโลยทมอยในขณะนสามารถทจะสรางอปกรณเนมสทมน�าหนกเบาเพยงไมก ออตโตกรม (10-18 กรม) และมขนาดเลกเพยงแค 10 นาโนเมตรได การทอปกรณเนมสทงเลกทงเบามากนเอง ทเปนเหตใหอปกรณเนมสมคณลกษณะเฉพาะตวทแปลกใหม และสามารถน�ามาประยกตใชประโยชนไดอยางมากมาย โดยทคณสมบตเฉพาะตวของเนมสมดง ตอไปน 1. เปนอปกรณเชงกลทตรวจจบสญญาณในระดบยานความถสงมากได (high-frequency mechanical devices) เชน ความถในชวงไมโครเวฟได ปจจบนนนกวทยาศาสตรสามารถใชกระบวนการ นาโนลโทกราฟททนสมยทสดในการสรางเรโซเนเตอรขนาดนาโน (nanoscale resonators) ทมความถสงกวา 10 กกะเฮรตซ (1010 เฮรตซ)
▲ อเลกโตรมเตอรเชงกลรนแรกและรนทสองทมศนยกลางเปนเรโซเนเตอรเชงกล ถกสรางขนโดย
นกวจยของ Caltech (เครดตภาพ A N Cleland/Caltech)
ได ซงคณสมบตของเนมสในขอนสามารถน�ามาใชในการสรางอปกรณเชงกลทไมเคยมมากอนได เชน การประดษฐกลองจลทรรศนแบบ เอสพเอม (Scanning Probe Microscopes, SPM) ชนดใหมทมความเรวสงขน หรอแมกระทงการประดษฐคอมพวเตอรเชงกล (mechanical computers) รปแบบใหม 2. สามารถกระจายพลงงานทมระดบพลงงานต�ามาก ๆ ได ซงถอว าเป นคณลกษณะท ดทางเรโซแนนซ เป นการสงผลให อปกรณเนมสมความไวตอการเปลยนแปลงแรงกระท�าเชงกลจากภายนอกไดดมาก เหมาะในการน�ามาใชเปนเซนเซอรไดหลายชนด 3. หนวยเชงกลของเนมสสามารถสนสะเทอนไดเมอมการเปลยนแปลงมวลสารในระดบทนอยมาก ซงจะท�าใหเนมสมความไวตอมวลทเพมขนเพยงเลกนอย ซงถอวาเปนคณสมบตของเนมสทสามารถ น�าไปใชเปนเซนเซอรตรวจจบสารเคมตาง ๆ ไดอยางมประสทธภาพ โดยมรายงานวาเนมสมความไวมากในขนาดทสามารถตรวจวดมวลของอะตอมจ�านวนเลกนอยทถกดดซบไวบรเวณผวหนาของอปกรณเชงกลได 4. สามารถออกแบบใหเนมสใหมรปรางตาง ๆ กนไดตามความตองการ เชน ท�าใหหนวยเชงกลของเนมสเกดการตอบสนองตอแรงกระท�าภายนอกในทศทางทก�าหนดไวเทานน ซงสามารถน�าไปใชเปนชนสวนของกลองจลทรรศนเอสพเอมได 5. อปกรณเนมสใชพลงงานต�ามาก โดยมการประมาณกนวาอปกรณเนมสจ�านวนนบลานตวทท�างานรวมกนในโปรเซสเซอรของระบบเชงกลจะใชไฟฟารวมกนในระดบของไมโครวตตเทานนเอง ซงใชไฟต�ากวาโปรเซสเซอรอเลกทรอนกสโดยทวไปเกอบหมนเทาตว 6. ทงเมมสและเนมสตางกถกสงเคราะหขนจากเทคโนโลยแบบเดยวกบทใชในการผลตวงจรอเลกทรอนกส และวตถดบทใชก
Bio & Nano
40
เปนวตถดบชนดเดยวกน เชน ซลคอน แกลเลยมอารเซไนซ (GaAs) หรออนเดยมอารเซไนซ (InAs) จงท�าใหสามารถตดตงอปกรณเสรมสมรรถนะชนดตาง ๆ เชน ตวแปรสญญาณ หรอ ทรานซสเตอร เพมเตมใหกบอปกรณเมมสหรอเนมสไดอยางงายดาย ท�าใหเมมสและเนมสสามารถท�างานทมความซบซอนมากขนไดดขน
วธการสรางอปกรณเนมส
การสงเคราะหอปกรณเนมสจ�าเปนตองใชเทคนคใหม ๆ ทสามารถใชออกแบบและท�าสถาปตยกรรมโครงสรางสามมตของ อปกรณเนมสได ยกตวอยางเชน เทคนคตาง ๆ ทพฒนาขนมาเพอใชอปกรณทมสวนประกอบเปนสารกงตวน�าโดยเฉพาะ เชน ซลคอนแบบหยาบ (bulk silicon) ซลคอนบนชนอพ (epitaxial silicon) และโครงสรางเนอผสมของซลคอนบนฉนวน (silicon-on-insulator heterostructures) รวมไปถงระบบทใชสารกงตวน�ากลม III-V เชน แกลเลยมอารเซไนด และอนเดยมอารเซไนด เปนตน โดยทวไปแลวการสรางอปกรณเนมสสามารถใชวธการเดยวกบทใชในการสรางอปกรณนาโนอเลกทรอนกส เชน กระบวนการนาโนลโทกราฟทมประสทธภาพสง และสามารถเพมความซบซอนของโครงสรางระบบเนมสใหมากขน โดยการใชกระบวนการ
นาโนลโทกราฟซ�าไปซ�ามาหลาย ๆ รอบ หรอการผสมผสานเขากบวธการตกตะกอนสะสมของไอสารเคมประเภทตาง ๆ หรอการใชเทคนคการปลกผลกแบบชนเดยวทสามารถควบคมความหนาของชนบางในระดบของอะตอมไดอยางแมนย�า ซงเทคนคเหลานสามารถท�าใหอปกรณเนมสมความหนาเพยงไมกชนของอะตอมได นอกจากนยงตองหาวธการเชอมตอหนวยเชงกลเขากบตวแปรสญญาณทมความซบซอนมากได เพอใชเปนตวควบคมการท�างานและตรวจจบสญญาณเชงกลทเกดขนได
ความทาทายในการสรางเนมส
ศกยภาพของกระบวนการลโทกราฟดวยล�าอเลกตรอน (elec-tron beam lithography) และนาโนแมชชนนง (nanomachining) ทใชอยในปจจบน สามารถสงเคราะหโครงสรางขนาดนาโนทเปนสารกงตวน�าใหมขนาดเลกกวา 10 นาโนเมตรได ซงเปนการแสดงใชเหนวาเทคโนโลยในการผลตอปกรณอเลกทรอนกสในปจจบนน สามารถน�ามาใชสรางระบบเนมสไดแลว อยางไรกตาม การทจะสามารถผลตและการใช ประโยชนจากเนมสไดอยางเตมความสามารถนน จ�าเปนอยางยงทตองเอาชนะความทาทาย 3 ประการนใหไดเสยกอน นนคอ 1. ตองหาวธการทสามารถน�าสงสญญาณทเกดขนในระดบนาโนออกมายงโลกภายนอกทเปนระดบแมคโครได
เนองจากเนมสเปนอปกรณทมขนาดเลกมากจนสามารถตรวจจบแรงสนสะเทอนและการหกเหแสงไดในระดบทต�ามาก ๆ ได ดงนนการสรางตวแปรสญญาณทมความไวเพยงพอทขยายสญญาณตาง ๆ ทเกดขน และอานผลไดอยางถกตองนนเปนสงทยากมาก
▲ การพฒนากระบวนการประดษฐขนาดนาโน (nanofabrication) อยางตอเนอง จะน�าไปสความกาวหนาในการสรางโครงสรางนาโน
ในอดมคตหลายชนด ตวอยางเชน
a.) ดบล เคลมเปด บม (doubly clamped beam) ทถกสรางขนโดยการแกะสลกแผนซลคอนเวเฟอร
b.) รายละเอยดของเรโซเนเตอร (nanoscale resonator) ขนาดนาโนทสรางจากซลคอนบนชนฉนวน
c.) รปรางของอปกรณเนมสทสรางจากแกลเลยมอารเซไนดทใชวดแรงกระท�าขนาดต�ามากๆ ทระดบความถสง
(เครดตภาพ A N Cleland/Caltech)
▲ ภาพกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) แสดงรายละเอยดของนาโนเซนเซอรวดการ
เคลอนไหวทมสวนประกอบหลกเปนหนวยเชงกลทท�าจากแกลเลยมอารเซไนดขนาดกวาง 250
นาโนเมตร หนา 250 นาโนเมตร ยาว 3 ไมโครเมตร ซงถกวางไวระหวางทรานซสเตอรแบบ
อเลกตรอนเดยว (single electron transistors) 2 ตว ทท�าหนาทเปนตวตรวจจบสญญาณการ
เคลอนไหวในระดบ 10-12 เมตรได
41 Bio & Nano
February-March 2013, Vol.39 No.227
▲
นอกจากนยงมอปสรรคทส�าคญอกประการหนงคอ ความถธรรมชาตทเกดขนจากการเคลอนไหวจะมคาเพมขนเมอวสดมขนาดเลกลง ดงนนตวขยายสญญาณของระบบเนมสในอดมคตนน จะตองสามารถแยกแยะการเคลอนทในชวง 10-15 - 10-12 เมตร ไดอยางชดเจนและตองสามารถขยายระดบความถของสญญาณใหมากขนจนถงระดบกกะเฮรตซหรอพนลานเฮรตซได ซงความสามารถท กลาวมา ทงสองประการนยงไมสามารถท�าใหเกดขนจรงไดโดยใชเทคโนโลยทมอยในปจจบน ตวแปรสญญาณแบบไฟฟาสถตทใชในระบบเมมสโดยทวไปนน ไมสามารถน�ามาใชกบเนมสได เพราะขวอเลกโทรดขนาดนาโน (nanoscale electrodes) มความสามารถในการเกบประจต�าประมาณ 10-18 ฟารด หรอนอยกวานนมาก จงเปนผลใหเกดการรบกวนจากการตานทานไฟฟา สวนการแปรสญญาณเชงออปตกทใชกบเมมสกไมสามารถน�ามาใชเปนตวแปรสญญาณของอปกรณเนมสไดเชนเดยวกน ทงนเนองจากการเลยวเบนของคลนแสงมขดจ�ากด (diffraction limit) ท�าใหตวแปรสญญาณเชงแสงประเภทตาง ๆ ไมสามารถใชกบวตถทมขนาดเสนตดขวางเลกกวาชวงความยาวคลนแสงไดอยางมประสทธภาพ จากทกลาวมาทงหมดจะเหนไดวาตวแปรสญญาณชนดตาง ๆ ทใชอย ในขณะน ไมสามารถน�ามาใชกบอปกรณเนมสทมขนาดเลก มาก ๆ ได ดงนนจงจ�าเปนตองคนหาวธการแปรสญญาณแบบใหมเพอน�ามากบอปกรณเนมสโดยเฉพาะ เชน อปกรณแมเหลกขนาดนาโน (na-noscale magnets) อปกรณตวน�ายงยวดเชงควอนตม (superconducting quantum interference devices) ทรานซสเตอรแบบอเลกตรอนเดยว (single electron transistors) หรออปกรณออปตกแบบ Near-field (near-field optics: NFO) เปนตน 2. ตองเขาใจและสามารถควบคมระบบเชงกลในระบบเนมสไดเปนอยางด ขอจ�ากดในการท�างานของอปกรณเนมสทส�าคญทสด คอ ขอจ�ากดทางควอนตม (quantum limit) เพราะวาเมอ อปกรณเนมสมขนาดเลกลงไปเรอย ๆ กตองเขาใกลขดจ�ากดนมากขน
ทกทเชนเดยวกน เชน เมออปกรณเนมสมขนาดเลกลงจะสงผลใหพฤตกรรมเชงกลของวสดขนาดใหญลดความส�าคญลงเรอย ๆ ในขณะทพฤตกรรมระดบอะตอมจะมอทธพลเพมมากขน สาเหตทเปนเชนนกเพราะวา เมออปกรณมขนาดเลกลงจะท�าใหสดสวนของอะตอมทอยบรเวณผวหนาของอปกรณมปรมาณสงขนซงจะสงผลใหคณสมบตทางฟสกสของอปกรณเนมสเกอบทงหมดขนอยกบพฤตกรรมของอะตอมทอย บรเวณพนผว ดงนนจงจ�าเปนตองพฒนาเทคนคซมมเลชน (simulations) ทสามารถใชวเคราะหพฤตกรรมของโครงสรางทประกอบจากอะตอมเพยงไมกอะตอมไดอยางถกตอง และตองหาวธทสามารถวเคราะหพฤตกรรมของอะตอมระดบพนผวไดอยางถกตองเสยกอน จงจะสามารถสรางอปกรณเนมสทมประสทธภาพสงตรงตามความตองการได
3. ตองพฒนากรรมวธในการผลตระบบเนมสทสามารถท�าซ�าได และมคณสมบตคงเดมทกครง การผสมผสานกระบวนการนาโนลโธกราฟกบกระบวนการผลตเมมสทกาวหนาทสดในปจจบนน สามารถน�ามาใชสรางอปกรณเนมสไดในระดบหนง อยางไรกตาม ถาตองการใหอปกรณเนมสมความสามารถสงขนไปเรอย ๆ กจ�าเปนตองพฒนาวธการผลตใหม ๆ มารองรบอยตลอดเวลา แนวทางการสงเคราะหเนมสทมความเปนไปไดสงอกวธหนง คอ การจดการระดบนาโนโดยใชกลองเอสพเอม (SPM nanomanipulation) โดยทแนวคดนไดถกพฒนาขนโดยบรษทไอบเอม (IBM) ซงประสบความส�าเรจในการสรางหนวยเกบความจ�าทเรยกวามลลพด (millipede) ทสามารถเกบขอมลไดหนาแนนถง 1014 บตตอหนงตารางนว (Terabyte/in2) โดยใชกลองเอสพเอม (SPM) แบบพเศษทถกออกแบบใหมหวอานเปนอารเรยทมหวอานหลายหว (multitip array) ซงถกสรางขนโดยเทคโนโลยทใชในการสงเคราะหเมมส อยางไรกตาม การทจะผลตอปกรณเนมสในระดบอตสาหกรรม และมการใชงานอยางแพรหลายไดนน จ�าเปนตองค�านงถงประสทธภาพของโรงงานทจะท�าการผลตดวย เนองจากเนมสมความไวตอแรงกระท�าภายนอกสงมาก ท�าใหการปนเปอนของอะตอมแปลกปลอมเพยงไมก
ระบบไฟฟาเครองกลขนาดนาโนชวภาพ (Bio-NEMS) ชนดตาง ๆ ทถกพฒนาขนเพอน�าไปใช
ประโยชนในเชงการแพทย เชน อปกรณส�าหรบตรวจวนจฉยโรค และอปกรณตรวจวดปรมาณ
สารเคม เปนตน (ภาพจาก: http://www.esm.psu.edu/wiki/research:juh17:start)
Bio & Nano
42
อะตอมกสามารถท�าใหระบบการผลตอปกรณเนมสมปญหาได ดงนนระบบการผลตเนมสตองควบคมความสะอาดในระดบทสงสดเทาทจะท�าได และตองใชกระบวนการสงเคราะหทถกตองแมนย�าทสดดวย เชนเดยวกน
บทสรปแหงอนาคต
จากทไดกลาวมาทงหมด จะเหนไดวาอปกรณเนมสสามารถน�ามาใชท�างานทไมเคยมอปกรณชนดใดท�าไดมากอน ยกตวอยาง เชน การวดการสนสะเทอนทเกดขนในระดบอะตอมหรอโมเลกล การสรางกลองจลทรรศนพลงแมกเนตกเรโซแนนซ (magnetic resonance force microscopy: MRFM) การประดษฐกลองเอสพเอมชนดใหมทสามารถท�างานไดเรวกวากลองเอสพเอมในปจจบน หรอ การประดษฐคอมพวเตอรเชงกลรปแบบใหม นอกจากน อปกรณเนมสยงไดสรางโอกาสในการคนพบเทคโนโลยใหม ๆ ทจ�าเปนตอการพฒนานาโนเซนเซอรทไวตอสงกระตนมากขน รวมทงวธการตรวจวดแบบใหมทมประสทธภาพสงขน เชน แมกเนตกเรโซแนนซแบบสปนเดยว (single-spin magnetic resonance) อปกรณเชงกลทสามารถนบจ�านวนโฟนอน (phonon count-ing) หรออปกรณนาโนฟลอดก (nanofluidics) ทสามารถคดแยกและวเคราะหสารชวเคมทมความเขมขนต�ามาก ๆ ไดอยางมประสทธภาพ เปนตน หรอวทยาการเนมสอาจกาวหนาไปจนกระทงถงขนทสามารถสรางจกรกลนาโน (nanorobot) ทมขนาดเลกจนสามารถเขาไปอยในเสนเลอดและเดนทางไปยงอวยวะสวนตาง ๆ ของรางกายเพอท�าหนาทก�าจด เชอโรค เพมขดความสามารถของภมคมกน ท�าลายไขมนอดตน และซอมแซมอวยวะทเสยหายไดอยางมประสทธภาพ อยางไรกตาม การทจะสรางระบบใหม ๆ ตามทไดกลาวมาแลวนน จ�าเปนอยางยงทจะตองท�าความเขาใจสงทเกดขนจากการผสมผสานวทยาศาสตรและเทคโนโลยในระดบไมโครและระดบนาโนทใชอยในปจจบนใหไดอยางถองแทเสยกอน
▲ ภาพวาดจ�าลองของมอเตอรชวภาพชนดไมโอซน (Myosin V) (สฟา) ในขณะทก�าลงเคลอนทอย
บนสายโปรตนแอกตน (Actin) (สแดง) เพอท�าหนาทเปนตวขนสงสารภายในเซลลสงมชวต
อยางไรกด ในขณะนยงมชองวางทเกดจากความแตกตางระหวางวธการสงเคราะหอปกรณเนมสในปจจบนทสวนใหญเนนการสงเคราะหจากวสดหยาบ (bulk materials) กบวธการสงเคราะห อปกรณเนมสในอนาคตทอาจใชการจดเรยงอะตอมทละอะตอมเขาดวยกน โดยอาศยหลกการประกอบตวเอง (self-assembly) ของอะตอมจ�านวนมหาศาลอยางถกตองแมนย�า ซงถอวาเปนกรรมวธการสงเคราะหวสดและอปกรณโดยใชนาโนเทคโนโลยทแทจรง โดยทกระบวนการสรางอปกรณเชงกลดวยวธการประกอบตวเองของอะตอมกมตวอยางใหเหนอยแลวในธรรมชาต เชน มอเตอรโมเลกล (molecular motors) ทเปนโปรตนและเอนไซมชนดตาง ๆ เชน เอนไซม ATPase หรอเฟลกเจลลารมอเตอรของแบคทเรย (bacterial flagella motor) หรอโปรตนไมโอซน-ว (myosin-v) ซงทงหมดเปนจกรกลชวภาพทเกดจากการประกอบตวเองของอะตอมชนดตาง ๆ และท�าหนาทเปนตวขนสงสารชวโมเลกลภายในเซลลสงมชวต เปนแหลงก�าเนดพลงงานใหกบเซลลสงมชวต และเปน ตวขบเคลอนใหเซลลสงมชวตเคลอนทไปมาได จกรกลทมอยในธรรมชาตเหลานไดกลายเปนแรงบนดาลใจทท�าใหนกวทยาศาสตรพยายามหาวธการลอกเลยนแบบ เพอสรางอปกรณขนาดนาโนชนดตาง ๆ เชน การสรางชนสวนตาง ๆ ของอปกรณเนมส ดวยวธแบบเลกไปใหญ (bottom-up) เชน การใหสารเคมชนดตาง ๆ ท�าปฏกรยาและเชอมตอกนกลายเปนโครงสรางเคมขนาดใหญทซบซอน มากขน เปนตน ดงนนอาจจะกลาวไดวา “ยงเทคโนโลยเนมสกาวหนามากขนเทาไร กยงท�าใหวธการทมนษยใชในการสรางเนมสเขาใกลวธทธรรมชาตใชในการสรางสรรคสงตางๆ ขนมามากขนเทานน”
แหลงขอมลอางองและรปภาพประกอบ
1. http://physicsweb.org/articles/world/17/4/3/1
2. http://physicsweb.org/articles/news/8/5/12/1
3. http://www.ibi.cc/nems_resonators.htm
Recommended