Introduction to Nanotechnology - appmju.files.wordpress.com · Introduction to Nanotechnology นาโนเทคโนโลยีเบื องต้น เอกสารประกอบการสอน

Introduction to Nanotechnology นาโนเทคโนโลยเบ�องตน

เอกสารประกอบการสอน

ค ำน ำ ปจจบนวสดนาโนมสวนส าคญตอการพฒนาทางวทยาศาสตรและเทคโนโลยมากขนดง

จะเหนไดจากผลการศกษาวจย รวมทงหลกสตรการเรยนการสอนในมหาวทยาลยทเพมขน ทงนเพอพฒนาการเรยนการสอนใหนกศกษามความรพนฐานททนตอการเปลยนแปลงทเกดขน ทงในสวนของงานวจยทพฒนาขน และความรใหมๆ ทเกดขนทางดานวทยาศาสตรและเทคโนโลยนาโน ตลอดจนสามารถน าความรทไดรบไปประยกตใชในชวตประจ าวน ผเรยบเรยงจงเหนวาเอกสารประกอบการสอนเลมนจะเปนประโยชนอยางยงตอการเรยนการสอน และผสนใจ

เอกสารประกอบการสอนเลมนไดแปล รวบรวม และเรยบเรยง ถงความรเบองตนทางดานวทยาศาสตรและเทคโนโลยนาโน ตงแตประวตความเปนมา หลกการทางวทยาศาสตรพนฐานส าหรบนาโนเทคโนโลย นาโนเทคโนโลยจากธรรมชาต การสงเคราะหวสดนาโน เครองมอและการวเคราะหทางนาโนเทคโนโลย นาโนเทคโนโลยในดานตางๆ และนาโนเทคโนโลยกบการประยกตใช ตลอดจนจรยธรรมและความเปนพษของวสดนาโน ซงเปนการรวบรวมเนอหาจากแหลงขอมลตางๆ ทงหนงสอ วารสารวชาการทไดรบการตพมพ เอกสารรปเลมงานวจย ตลอดจนการคนควาขอมลทางอนเตอรเนตจากเวปไซดทางวชาการตางๆ

ผเรยบเรยงขอขอบคณผมสวนรวมในการพมพขอมล และวาดภาพประกอบ ดร.ชนตภา กนทา และขอขอบพระคณรองศาสตราจารย ดร.สคนธ พานชพนธ ผมพระคณทใหค าแนะน า และสนบสนนผเรยบเรยงตลอดมา

ผเรยบเรยงหวงเปนอยางยงวาผอานคงไดรบประโยชนจากเอกสารประกอบการสอนเลมนตามตองการ ขอเสนอแนะหรอขอวจารณใดๆ ทชวยใหเอกสารประกอบการสอนเลมนมประโยชนมากยงขน ผเรยบเรยงขอนอมรบไวดวยความขอบพระคณยง ผอานสามารถสงขอเสนอแนะหรอขอวจารณมาท [email protected]

วรนธชา เครอฟ

mailto:[email protected]

ii วสดนาโน 1

อาจารย ดร.วรนธชา เครอฟ สาขาวชาวสดศาสตร คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยแมโจ ฉบบปรบปรง พฤษภาคม 2561

สารบญ

ค าน า

สารบญ

สารบญภาพ

สารบญตาราง

บทท 1 วทยาศาสตรและนาโนเทคโนโลยเบองตน 1.1 ความรเบองตนเกยวกบนาโนเทคโนโลย

1.1.1 ความหมายของค าวานาโนและเทคโนโลย 1.1.2 ความหมายของนาโนเทคโนโลย

1.2 หลกการพนฐานของนาโนเทคโนโลย 1.2.1 เทคโนโลยแบบหยาบ (Bulk technology) 1.2.2 เทคโนโลยระดบโมเลกล (Molecular technology)

1.3 แนวคดการสรางผลตภณฑและสงของระดบนาโน 1.4 ประวตความเปนมาของนาโนเทคโนโลย 1.5 การวจยและพฒนานาโนเทคโนโลยในตางประเทศ 1.6 การวจยและพฒนานาโนเทคโนโลยในประเทศไทย บรรณานกรม ค าถามทายบท

บทท 2 หลกการทางวทยาศาสตรพนฐานส าหรบนาโนเทคโนโลย

2.1 อะตอมและโมเลกล

หนา

i iii xi

xix

1 2 2 4 5 6 6 7 7 9 9

11 14

15 16

iv วสดนาโน 1

2.2 ฟสกสของอะตอม และกลศาสตรควอนตม

2.2.1 กลศาสตรคลาสสก (Classical mechanics) หรอกลศาสตรของนวตน (Newtonian mechanics)

2.2.2 กลศาสตรควอนตม (Quantum mechanics) 2.2.3 หลกความไมแนนอนของไฮเซนเบรก

(Heisenberg uncertainty principle) 2.3 หลกการทางวทยาศาสตร

2.3.1 หลกการทางแสง 2.3.2 หลกการเชงกล 2.3.3 หลกการทางไฟฟา 2.3.4 หลกการทางแมเหลก

2.4 ระบบชวภาพ 2.5 การตรวจจบโมเลกล บรรณานกรม ค าถามทายบท

บทท 3 นาโนเทคโนโลยจากธรรมชาต

3.1 ใบบว 3.1.1 พนผวใบบว 3.1.2 แรงตงผวกบหยดน าบนใบบว 3.1.3 ปรากฏการณน ากลงบนใบบว 3.1.4 นวตกรรมจากหยดน าบนใบบว

3.2 เทาตกแก 3.3 ปกผเสอบางชนด 3.4 ใยแมงมม

หนา

22 23

24 27

30 30 34 36 38 38 41 42 44

45 46 46 47 49 51 52 54 55

วสดนาโน 1 v

3.5 เปลอกหอยเปาฮอ 3.6 ขาจงโจน า บรรณานกรม ค าถามทายบท

บทท 4 การสงเคราะหวสดทมโครงสรางระดบนาโน

4.1 การสรางวสดและอปกรณนาโนโดยใชกระบวนการแบบบนลงลาง (Top down) 4.1.1 การสลกลวดลาย (Lithography)

4.1.1.1 วธการลโทกราฟแบบใชแสง (Photo lithography, PL) 4.1.1.2 วธการลโทกราฟแบบใชปลายแหลม (Dip-pen

nanolithography, DPN) 4.1.1.3 วธการลโทกราฟการใชแบบชองวาง (Nanosphere

lithography, NSL) 4.1.1.4 วธการลโทกราฟแบบใชล าแสงอเลกตรอน (Electron

beam lithography, EBL) 4.1.2 การตกสะสม (Deposition)

4.1.2.1 การหมนเหวยง (Spin coating) 4.1.2.2 การระเหยกลายเปนไอ (Evaporation) 4.1.2.3 การเคลอบแบบสปตเตอรรง (Sputtering) 4.1.2.4 การตกสะสมไอสารดวยวธการทางเคม (Chemical

vapor deposition) 4.1.3 การกดกรด (Etching) 4.1.4 การปลกผลก (Crystal growth) 4.1.5 วธอารคดสชารจ (Arc discharge)

หนา

55 56 58 60

61 62

62 63 65

66

66

68 68 69 70 74

74 75 80

vi วสดนาโน 1

4.1.6 วธการระเหยดวยเลเซอร (Laser vaporization)

4.2 การสรางวสดและอปกรณนาโนโดยใชกระบวนการแบบลางสบน(Bottom up) 4.2.1 การสงเคราะหทางเคม (Chemical synthesis) 4.2.2 การประกอบตวเอง (Self assembly) 4.2.3 การใชกลองสองอะตอม (Scanning probe manipulation)

บรรณานกรม ค าถามทายบท

บทท 5 เครองมอ และการวเคราะหทางนาโนเทคโนโลย

5.1 กลองจลทรรศนกระแสอเลกตรอนแบบหวอานสองกราด (Scanning tunneling microscope, STM)

5.2 กลองจลทรรศนแรงอะตอม (Atomic force microscope, AFM) 5.3 เครองเอกซเรยดฟแฟรกโตมเตอร (X-ray diffractometer, XRD) 5.4 กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด

(Scanning electron microscope, SEM) 5.5 กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน

(Transmission electron microscope, TEM) 5.6 เครองวดการกระจายพลงงานของรงสเอกซ

(Energy dispersive spectrometer, EDS) 5.7 เครองวดพนทผว (Surface area analyzer, SAA) 5.8 เครองยว-วสเบล สเปกโทรโฟโตมเตอร

(UV-Vis spectrophotometer, UV-Vis) 5.9 เครองโฟโตลมเนสเซนซสเปกโทรมเตอร

(Photoluminescence spectrometer, PL)

หนา

81 82

82 88 89 90 92

93 94

96 99

111

112

115

118 123

129

http://www.google.co.th/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja&uact=8&ved=0CEcQFjAD&url=http%3A%2F%2Fwww.warsash.com.au%2Fproducts%2Fspectroscopy%2FPHOTOLUMINESCENCE.php&ei=3CWMU466EYfm8AWpqYGQCw&usg=AFQjCNHCjXv8vlw2kfwdt13HeROCCghO1g&bvm=bv.67720277,d.dGc

วสดนาโน 1 vii

5.10 เครองอนฟราเรดสเปกโทรโฟโตมเตอร

(Infrared spectrophotometer, IR) 5.11 เครองรามานสเปกโทรมเตอร (Raman spectrometer) 5.12 เครองวเคราะหเชงความรอน (Thermal analyzer, TA) บรรณานกรม ค าถามทายบท

บทท 6 วสดนาโน

6.1 อนภาคนาโน (Nanoparticles) 6.1.1 ไทเทเนยมไดออกไซด (TiO2) 6.1.2 ซงกออกไซด (ZnO) 6.1.3 ซลเวอร (Ag)

6.2 วสดประกอบนาโน (Nanocomposite) 6.3 หมดควอนตม (Quantum dot) 6.4 ทอนาโนคารบอน (Nanotubes) เสนลวดนาโน (Nanowire) และ

โพรงนาโน (Nanopores) 6.4.1 ทอนาโนคารบอน

6.4.1.1 โครงสรางทอนาโนคารบอน 6.4.1.2 มดของทอนาโนคารบอน 6.4.1.3 การเตบโตของทอนาโนคารบอนและการวเคราะห 6.4.1.4 สมบตของทอนาโนคารบอน

- สมบตเชงกล - สมบตทางความรอนและคาความจความรอนของทอนาโนคารบอน

- สมบตทางไฟฟาของทอนาโนคารบอน

หนา 131

134 136 140 143

145 146 146 148 149 149 150 153

153 153 154 154 154 154 155

155

viii วสดนาโน 1

- สมบตทางชวภาพของทอนาโนคารบอน

6.4.2 เสนลวดนาโน 6.4.3 โพรงนาโน

6.5 บคกบอล (Buckyball) 6.6 กราฟน (Graphene) 6.7 ฟลมบางนาโน (Thin fim nanostructure) บรรณานกรม ค าถามทายบท

บทท 7 นาโนเทคโนโลยในดานตางๆ 7.1 นาโนเทคโนโลยชวภาพและนาโนเทคโนโลยทางการแพทย 7.2 นาโนอเลกทรอนกส 7.3 นาโนคอมพวเตอร 7.4 ระบบเครองกลไฟฟาจลภาคหรอเมมส (Microelectromechanical

systems, MEMs) 7.5 ระบบเครองกลไฟฟานาโนหรอเนมส (Nanoelectromechanical

systems, NEMs) 7.6 นาโนเทคโนโลยกบการเกษตร 7.7 นาโนเทคโนโลยทางดานอาหาร บรรณานกรม ค าถามทายบท

บทท 8 การประยกตใชนาโนเทคโนโลย

8.1 ประยกตใชทางดานสงแวดลอม

หนา 156 156 156 156 158 159 160 162

163 164 169 170 173

174

174 177 180 181

183 184

วสดนาโน 1 ix

8.1.1 การบ าบดสงปนเปอนทเปนสารอนทรยในน าโดยการยอย

สลายดวยแสง (Photocatalytic activity) 8.1.2 วสดทสามารถท าความสะอาดหรอก าจดสงสกปรกไดดวย

ตวเอง (Self cleaning) 8.1.2.1 พนผวท าความสะอาดตวเอง 8.1.2.2 เสอนาโน

8.2 ประยกตใชทางดานอเลกทรอนกส 8.2.1 เซลลแสงอาทตย (Solar cells)

8.2.1.1 พารามเตอรทบอกสมบตทางไฟฟาของเซลลแสงอาทตย

8.2.1.2 ตวอยางเซลลแสงอาทตยชนดอนทรย 8.2.2 การตรวจวดแกส (Gas sensor) ของอนภาคนาโนของ

สารประกอบออกไซด 8.3 ประยกตใชทางดานสงทอ 8.4 ประยกตใชทางดานการแพทย บรรณานกรม ค าถามทายบท

บทท 9 ความเปนพษของวสดนาโน

9.1 วสดนาโนกบผลกระทบตอสงแวดลอม 9.2 ความปลอดภยของนาโนเทคโนโลย 9.3 นาโนเทคโนโลยกบความปลอดภย 9.4 ฉลากผลตภณฑนาโนคว บรรณานกรม ค าถามทายบท

หนา 184

198

198 200 201 201 202

206 208

218 219 220 223

225 226 227 228 228 230 232

x วสดนาโน 1

สารบญภาพ

ภาพ

หนา

1.1 วสดระดบนาโน 3 2.1 แบบจ าลองอะตอม 16 2.2 โมเลกลของสารบางชนด 17 2.3 ลกษณะการเกดพนธะโคเวเลนตระหวางอะตอม 2.4 พนธะโคออรดเนตโคเวเลนต ระหวาง N-H ในแอมโมเนยมไอออน (NH4

+) 2.5 หลกความไมแนนอนของไฮเซนเบรก 2.6 วสดทมขนาดเลกลงพนทผวสมผสของวสดจะเพมขน 2.7 สของอนภาคทองค าทเปลยนแปลงไปตามขนาดของอนภาค 2.8 อธบายการเกด เซอรเฟซ พลาสมอน เรโซแนนซ

20 21 28 30 31 32

2.9 อนภาคนาโนของสารกงตวน าแคดเมยมเซลไนด ( CdSe) ทมสสนทแตกตางกนตามขนาดของอนภาค

2.10 เปรยบเทยบลกษณะการดดกลนแสงของโลหะอลคาไลน ทแตกตางกนตามขนาดของกลมกอน ( ก) อะตอมโลหะ ( ข) โลหะแบบกอนใหญ และ ( ค) อนภาคนาโนของโลหะ

32

33

2.11 (ก) อนภาคนาโนทองค า (จดสด า) เปนตวเรงปฏกรยาเคมบนพนผวซลกอน (ข) และ (ค) ซลกอนเกดการเตบโตเปนเสนลวดนาโนซลกอน

2.12 ขนาดเกรนของโลหะอะลมเนยมทมขนาดเลก 2.13 ลกษณะพลาสตกพเศษของทอนาโนคารบอน

34

35 36

2.14 ทอนาโนคารบอนทม ขนาดเสนผานศนยกลาง 1 นาโนเมตร เกดสมบตทางไฟฟาทแตกตางไปจากเดม ใชส าหรบท าหนาทเปนสารกงตวน าไฟฟาระหวางขวอเลกโทรด

37

xii วสดนาโน 1

ภาพ 2.15 โมเลกลของกรดแอลอะมโน

หนา

40 3.1 ลกษณะของพนผวใบบวทเปนปม 3.2 น ากลงบนใบบว 3.3 แนวแรงทดงผวของเหลวเขามาภายใน 3.4 ความโคงของผวของเหลว 3.5 มมสมผสทเกดขนระหวางพนผวของแขง หยดน า และอากาศรอบๆ 3.6 การเปยกผวของหยดน าบนพนผวของแขง แสดงถงความชอบน าทเพมขน 3.7 เสนขนเลกบรเวณปลายนวของเทาตกแก 3.8 ผลกโฟโตนกสบนปกผเสอ และการเปลยนสบนปกผเสอ 3.9 ภาพ SEM แสดงลกษณะผลกโฟโตนกสบนปกผเสอ 3.10 จงโจน า 4.1 ใชแสงเลเซอรเขยนรปแบบวงจรส าหรบไมโครชป 4.2 กระบวนการลโทกราฟแบบใชแสง (ก) เคลอบฟลมออกไซด (ข) วางแผนกน

แสง (Photoresist) (ค) ล าแสงอลตราไวโอเลตสองผานมารคไปยงชนงาน (ง) สรางรปแบบแผนกนแสง (จ) กดกรดชนออกไซดออก (ฉ) น าแผนกนแสงออก จะไดชนของออกไซดตามรปแบบทตองการ

4.3 วธลโทกราฟในระดบมตตางๆ 4.4 กลองจลทรรศนอเลกตรอนทใชในการสรางโครงสรางนาโนโดยวธ EBL 4.5 ขนตอนการสรางโครงสรางนาโนตามวธ EBL 4.6 การหมนเหวยงสาร 4.7 แผนภาพเครองระเหยกลายเปนไอ 4.8 เครองระเหยกลายเปนไอ 4.9 ระบบสปตเตอรรงแบบดซแมกนตรอน

46 47 47 48 49 50 52 54 54 56 63 64

65 67 68 69 69 70 72

วสดนาโน 1 xiii

ภาพ

4.10 ลกษณะโครงสรางภายในของสารของแขงโดยพจารณาความเปนระเบยบในการจดเรยงตวของอะตอม (ก) อะมอรฟส (ข) ผลกหลายรป (Poly crystalline) และ (ค) ผลกรปเดยว (Single crystalline)

4.11 การปลกผลกรปเดยวของซลกอนโดยวธโชคลาสก 4.12 แผนภาพจ าลองการปลกผลกรปเดยวโดยวธโซนรไฟนง 4.13 อปกรณทใชในการปลกผลกรปเดยวโดยวธโฟลทตงโซน 4.14 อปกรณทใชในการ เตรยมทอนาโนคารบอน (Carbon nanotube, CNTs) โดย

วธอารคดสชารจ 4.15 กระบวนการ สงเคราะห และลกษณะเปลวไฟทเกดขนจากการ สงเคราะห

อนภาคนาโนความบรสทธสง ดวยกระบวนการเฟลมสเปรยไพโรลซส 4.16 การกอตวเปนอนภาคนาโนจากกระบวนการเฟลมสเปรยไพโรลซส 5.1 วงจรการท างานของกลอง STM 5.2 การเคลอนยายอะตอมโดยกลอง STM 5.3 แผนภาพการท างานของกลอง AFM 5.4 ภาพฟลมบางของพอลเมอรทไดจากกลอง AFM 5.5 โครงสรางจลภาคของฟลมซลกอนทเตรยมจากวธ การตกสะสมไอสารดวย

วธการทางเคม ขนาดของเกรนวเคราะหจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (TEM) และความขรขระของพนผว วเคราะหจากกลองจลทรรศนแรงอะตอม

5.6 การเกดรงสเอกซเฉพาะตว (ก) อนตรกรยาของอะตอม (ข ) การเกดรงสเอกซเฉพาะตวทระดบพลงงานของชนวงโคจรตางๆ

5.7 การเกดรงสเอกซตอเนอง (ก) อนตรกรยาของอะตอม (ข) การกระเจงของอเลกตรอนปฐมภมกอนเกดอนตรกรยากบอะตอม

หนา

76

78 79 80 81

86

88 95 95 96 98 98

100

101

xiv วสดนาโน 1

ภาพ 5.8 การเลยวเบนของรงสเอกซบนระนาบ (hkl) ของผลก (ก) ไมเกดการเลยวเบน

ของรงสเอกซ (ข) เกดการเลยวเบนของรงสเอกซ ทท ามมตกกระทบกบระนาบเปนมม (ค) การเกดเหมอนขอ ข โดยใชเสนตรงแทนคลน

5.9 การเลยวเบนของรงสเอกซบน (ก) ผลกของอนภาคซงกออกไซดทเจอดวยทอง และ (ข) ฟลมบางผสมของพอลเมอร (Poly (3-hexylthiophene), P3HT) กบซงกออกไซดทเจอดวยทอง บนแผนอลมนาทท าขวไฟฟาดวยทอง

5.10 การเลยวเบนของรงสเอกซ ของทงสเตนออกไซด ทผานการเตรยมทอณหภม 200 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2 ชวโมง



5.13 การเลยวเบนของรงสเอกซของทงสเตนออกไซด ทไดจากการสงเคราะหโดยวธไฮโดรเทอรมอล ผานการใหความรอนทอณหภม 200 เซลเซยส เปนเวลา 2, 4 และ 6 ชวโมง ตามล าดบ JCPDS file หมายเลข 85-2549 ของ WO3

5.14 JCPDS file หมายเลข 85-2549 ของ WO3 5.15 ภาพจาก กลอง จลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) ของแทงนาโน

ทงสเตนออกไซด 5.16 ภาพจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน (ก) CoP nanorods (ข) NiS

nanoprisms (ค) BaCO3 nanowires และ (ง) Cubic-shaped gold particles 5.17 ภาพจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน (ก) ทงสเตนออกไซด (ข-ง)

อนภาคทงสเตนออกไซดทเจอดวยไนโอเบยมทความเขมขน 1.00 เปอรเซนโดยมวล ณ ก าลงขยาย 20000, 100000 และ 40000 ตามล าดบ

หนา

103

104

105

105

106

107

108 112

113

114

วสดนาโน 1 xv

ภาพ

5.18 ภาพจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด และการวเคราะหการกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบสเปกตรม (EDS-spectrum) (ก) อนภาคทงสเตนออกไซด (ข) อนภาคทงสเตนออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม

5.19 ภาพจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด และการวเคราะหการกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบเสน ( EDS-line spectrum) ของฟล มทงสเตนออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม

5.20 ภาพจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) และการวเคราะหการกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบแบบกลมจด (EDS-dot mapping mode) ของฟลมซงกออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม

5.21 กราฟการวดพนทผวโดยวธการดดซบของแกสดวย BET 5.22 กราฟทไดจากการค านวณในรปเสนตรงของสมการ BET 5.23 กราฟแสดงคาพนทผวจ าเพาะ และขนาดของ อนภาคซงกออกไซดทเจอดวย

ไนโอเบยมทไดจากการวเคราะหจากทฤษฎของบอท 5.24 แถบสเปคตรมของคลนแมเหลกไฟฟา 5.25 การเปลยนระดบพลงงานของอเลกตรอนภายในโมเลกล 5.26 กระบวนการการดดกลนแสง แสงตกกระทบ มพลงงานเทากบ (P) ถกดดกลน

โดยสารท าใหแสงทผานออกมามพลงงานลดลง (PO) 5.27 สเปกตรมการดดกลนแสงของอนภาค ซงกออกไซด (ZnO) และซงกออกไซด

ทเจอดวยไนโอเบยม (Nb-loaded ZnO) 5.28 สเปกตรมการดดกลนแสง 5.29 หลกการเกดฟลออเรสเซนซของวสด 5.30 สเปคตรมของเอทานอล 5.31 ตวอยางการลากเสน Base line เพอการค านวณ และการวเคราะหเชงปรมาณ 5.32 การกระเจงแสงทตกกระทบวตถ

หนา

115

116

117

119 120 122

124 124 126

127

128 130 132 133 134

xvi วสดนาโน 1

ภาพ

5.33 เปรยบเทยบสเปคตรม FTIR และ Raman ของพอลสไตรน 5.34 กราฟแสดงผลการวเคราะห การสญเสยน าหนก เมอไดรบความรอนของ

แคลเซยมออกซาเลต 6.1 ความสมพนธระหวางระดบพลงงานกบความหนาแนนสถานะ 6.2 ชวงวางแถบพลงงานของสารกงตวน าแบบกอนใหญ และอนภาคขนาดนาโน

ของสารกงตวน า 6.3 ทอนาโนคารบอน 6.4 โครงสรางนาโนของบคมนสเตอรฟลเลอรน หรอบคกบอล 6.5 บคกบอล ทอนาโนคารบอน กราไฟต และกราฟน 7.1 การงอของคาน เมอมการจบระหวางแอนตบอดและแอนตเจนบนเซลลมะเรง

ตอมลกหมากท าใหเกดการสะทอนแสงทเปลยนไป 7.2 การตรวจสอบล าดบเบสบนดเอนเอดวยชองผานนาโน เพอตรวจสอบความ

ผดปรกตเบองตนในการวนจฉยมะเรง 7.3 (ก) ทอนาโนคารบอนมสมบตทางไฟฟาทขนอยกบการจดเรยงตวของอะตอม

คารบอน เชน ถาโครงสรางของวงเบนซนเรยงตวตงฉากกบแกนตามแนวยาวของทอจะท าใหทอนาโนมสมบตเปนโลหะสามารถน าไฟฟาได (ดานบน) แตถาวงเบนซนเรยงตวขนานไปกบแกนตามยาวของทอจะท าใหทอนาโนมสมบตเปนสารกงตวน า (ดานลาง) (ข) ลกษณะของทรานซสเตอรทมทอนาโนคารบอนท าหนาทเปนเกท (Gate)

8.1 แถบพลงงานของโลหะ (Metal) สารกงตวน า (Semiconductor) และฉนวน (Insulator)

หนา

135 137

151 152

154 157 158 166

167

172

187

วสดนาโน 1 xvii

ภาพ

8.2 แผนภาพจ าลองของชองวางพลงงาน แสดงระดบพลงงานตวให (Acceptor levels, EA) (เหนอดานบนของแถบวาเลนส ) ระดบพลงงานตวให (Donor levels, ED (ดานลางของแถบคอนดกชน ) และตรงกลางชองวางแสดงระดบพลงงานการกกอเลกตรอน (Trap levels)

8.3 กลไกการเกดปฏกรยาโฟโตแคตาไลซสบนสารกงตวน า 8.4 การรวมตวกนใหมของอเลกตรอนและโฮล 8.5 กราฟความสมพนธระหวางคา การน าไฟฟา และเวลา เมอฉดเมทานอลทม

จ านวนคารบอน 100, 300, 500, 700 และ 1,000 อะตอม ตามล าดบ ลงในโฟโตแคตาไลตกรแอคเตอร ทมซงกออกไซดบรสทธเปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง

8.6 กราฟความสมพนธระหวาง ln(C) และ ln(K) เมอ C คอ จ านวนคารบอนอะตอมในรแอคเตอร และ K คอ คาการน าไฟฟา

8.7 ปรมาณเมทานอล เอทานอล และฟนอล ท ถกยอยสลายในชวงเวลาตางๆ เมอใชซงกออกไซดทเจอดวยทอง 0.50 เปอรเซนตโดยโมล เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง

8.8 ความชอบน าบนพนผวลกศรจากซายไปขวาแสดงถงความชอบน า (Hydrophilic) ทเพมขนของพนผว

8.9 กระจกท าความสะอาดตวเอง 8.10 การท าความสะอาดตวเองไดเมอสมผสกบน า 8.11 กราฟความสมพนธระหวางกระแส และความตางศกย ของเซลลแสงอาทตยท

ถกกระตนดวยแสงพรอมดวยคาพารามเตอรตางๆ 8.12 ระดบพลงงาน HOMO และ LUMO ของตวใหอเลกตรอน (Donor) และตวรบ

อเลกตรอน (Acceptor) ในการค านวณหาคาความตางศกยเปดวงจร (VOC) 8.13 (ก) โครงสรางของพอลเมอรและชนรปแบบของเซลลแสงอาทตยแบบ 2

รอยตอ (ข) โครงสรางของเซลลแสงอาทตยแบบ 2 รอยตอ ชนดสารอนทรย

หนา

188

189 192 193

195

196

198

199 200 203

205

206

xviii วสดนาโน 1

ภาพ

8.14 กราฟแสดงลกษณะเฉพาะระหวางความหนาแนนกระแส (JSC, mA/cm2) และคาความตางศกย (V) ของเซลลแสงอาทตยชนดสารอนทรย ทใชซงกออกไซดทเจอดวยทอง และ PCBM เปนตวเวนชวงแสงในตวท าละลา ย Dichlorobenzene

8.15 ตวอยางการกอตวบรเวณปลอดประจของพนผวฟลม ก าแพงศกยบรเวณรอยตอเกรนมคาลดลงเมอมการเคลอนทของอเลกตรอน

8.16 ปฏกรยาระหวางออกซเจนกบอเลกตรอนบนพนผวฟลมเซนเซอร ซงกออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม

8.17 กราฟแสดงความสมพนธระหวางเวลากบความตานทานของแกสชนด (ก) ออกซไดซ และ (ข) รดวซ

8.18 เวลาในการตอบสนอง และเวลาในการกลบคนสสภาพเดม 8.19 การเปลยนแปลงของคาความตานทานของฟลมซงกออกไซดทเจอดวยทอง ท

ความเขมขนตางๆ ในการตอบสนองตอไอของเอทานอล แกสไฮโดรเจน และแกสอะเซทลน

9.1 ฉลากนาโนคว

หนา

207

209

211

213

214 217

229

สารบญตาราง

ตาราง หนา

1.1 ค าน าหนาหนวยตางๆ 2

1.2 รายชอผไดรบรางวลโนเบล กบบทบาทตอการพฒนานาโนเทคโนโลย 8

2.1 ความแตกตางระหวางอนตรกรยาโคเวเลนต และนอนโคเวเลนต 2.2 นกวทยาศาสตรกบแนวคดทางควอนตม

21

25

4.1 เปรยบเทยบขอดและขอเสยของวธตางๆ ในการสงเคราะหไทเทเนยม ไดออกไซด

84

6.1 สมบตของไทเทเนยมไดออกไซดในเฟสของผลกแบบตางๆ 6.2 สมบตของซงกออกไซดขนาดนาโนเมตร

147

149

8.1 คาการน าไฟฟา และจ านวนคารบอนทอยในโฟโตแคตาไลตกรแอคเตอรในชวงเวลาตางๆ และคา ln(C) และ ln(K) ทค านวณได

8.2 เวลาทใชในการยอยสลาย (Completed degradation time) เมทานอล เอทานอล และฟนอล เมอใชเปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงตางๆ

194

197

บทท 1 วทยาศาสตรและนาโนเทคโนโลยเบองตน:

1.1 ความรเบองตนเกยวกบนาโนเทคโนโลย

1.1.1 ความหมายของค าวานาโนและเทคโนโลย 1.1.2 ความหมายของนาโนเทคโนโลย

1.2 หลกการพนฐานของนาโนเทคโนโลย 1.2.1 เทคโนโลยแบบหยาบ (Bulk technology) 1.2.2 เทคโนโลยระดบโมเลกล (Molecular technology)

1.3 แนวคดการสรางผลตภณฑและสงของระดบนาโน 1.4 ประวตความเปนมาของนาโนเทคโนโลย 1.5 การวจยและพฒนานาโนเทคโนโลยในตางประเทศ 1.6 การวจยและพฒนานาโนเทคโนโลยในประเทศไทย

2 บทท 1 : วทยาศาสตรและนาโนเทคโนโลยเบองตน

1.1 ความรเบองตนเกยวกบนาโนเทคโนโลย นาโนเทคโนโลย มาจากค าวานาโน รวมกบ เทคโนโลย ซง นาโน มาจากรากศพท

ภาษากรกวา Nanos แปลวา คนแคระ และเปนหนวยวด ระดบ ขนาด หรอ ความยาวของวตถตามมาตราเมตรก

1.1.1 ความหมายของค าวานาโน และเทคโนโลย นาโนคอ ค าอปสรรค (Prefix) หรอค าน าหนาหนวยซงค าน าหนาหนวยจะถกใชเมอคา

ในหนวยฐานมากหรอนอยเกนไป เราอาจเขยนค าน นเปนตวเลขคณดวยเลขสบยกก าลง ค าน าหนาหนวยทใชแทนตวคณ และสญลกษณ ดงแสดงในตาราง 1.1

นาโนเมตร คอ หนงในพนลานของเมตร หนงในลานของเซนตเมตร หนงในแสนของมลลเมตร หรอ หนงในพนของไมโครเมตร

ตาราง 1.1 ค าน าหนาหนวยตางๆ

ศพทบญญตและความหมาย ค าน าหนาหนวย

สญลกษณ ตวคณ

เอกซตะ = 1 ลานลานลาน เพทะ = 1 พนลานลาน เทอระ = 1 ลานลาน กกะ = 1,000,000,000 (อานวา จก-กะ = รอยลาน) เมกะ = 1,000,000 (อานวา เมก-กะ = ลาน) กโล = 1,000 (เชน 1 กโล กรม = 1 พน กรม) เฮกโต = 100

Exta peta tera giga mega kilo

hecto

E P T G M k h

1018 1015 1012 109 106 103 102

บทท 1 : วทยาศาสตรและนาโนเทคโนโลยเบองตน 3

ศพทบญญตและความหมาย ค าน าหนาหนวย

สญลกษณ ตวคณ

เดคา = 10 เดซ = 1 ใน 10 = 0.1 เซนต = 1 ใน 100 = 0.01 มลล = 1 ใน 1,000 = 0.001 ไมโคร = 1 ใน 1,000,000 = (1 ใน ลาน) นาโน = 1 ใน 1,000,000,000 = (1 ใน พนลาน) พโค = 1 ใน ลานลาน เฟมโต = 1 ใน พนลานลาน อทโต = 1 ใน ลานลานลาน

deka deci centi mili

micro nano pico

femto atto

da d c m

n p f a

101 10-1 10-2 10-3 10-6

10-9 10-12

10-15 10-18

วตถทมขนาด 1 นาโนเมตร (ตวยอ nm) หมายถง มขนาด 1 ในพนลานเมตร หรอเทากบ 1 ตอ 1,000,000,000 เมตร (หนงในพนลานสวนของเมตร) โดยปกตแลวนาโน ใชเปนค าอปสรรค ซงมคาเทากบหนงในพนลานสวน เมอน าค าวานาโน ไปใชในหนวยใดกตาม จะหมายถงพนลานสวนของหนวยนน เชน ขนาด 1 นาโนเมตร จะใหญกวาขนาดของอะตอมประมาณสบเทาขนไป แตเลกกวาขนาดของชนสวนอเลกทรอนกสในตวไมโครชพ (IC Microchip) ในปจจบนประมาณพนเทา และถาเทยบกบเสนผมซงมขนาดประมาณ 0.1 มลลเมตร ขนาด 1 นาโนเมตรจะเลกกวาเสนผมประมาณหนงแสนเทา ดงแสดงในภาพ 1.1

ภาพ 1.1 วสดระดบนาโน (ยอดหทย, 2545)

0.1 1 10 100 1,000 100,000 นาโนเมตร

ไฮโดรเจนอะตอม DNA ไวรส ไมโครชพ เสนผมมนษย

นาโนเทคโนโลย


เทคโนโลย หมายถงสงตางๆ ทมนษยเราพฒนาขนมาเพอชวยในการท างานหรอแกปญหาตางๆ เชน อปกรณ เครองมอ เครองจกร วสด รวมไปถงสงของทจบตองไมได เชน กระบวนการตางๆ ดงน นถากลาวถงค าวา เทคโนโลย จะใชหมายถง สงประดษฐตางๆ ทประดษฐขนโดยใชความรทพ งคนพบหรอพฒนาขนมา แตอยางไรกตามสงประดษฐโบราณ เชน ลอเกวยน กถอวาเปนเทคโนโลยเชนเดยวกน ตวอยาง 1.1 ถาน าอะตอมของไฮโดรเจนมาเรยงตอกนเปนเสนตรงใหมความยาว 1 นาโนเมตร จะไดกอะตอม วธท า เนองจากอะตอมของไฮโดรเจนมเสนผานศนยกลาง 1.1 Å

หรอ 1.1×10-10 m ซงเทากบ 1.1×10-1 nm หรอ 0.11 nm จาก 0.11 nm ไดจาก 1 อะตอมไฮโดรเจน

เพราะฉะนน 1 nm ไดจาก 9.090.11

1= อะตอมไฮโดรเจน

ดงนนตองน าอะตอมของไฮโดรเจนมาเรยงตอกนเปนเสนตรงจ านวนโดยประมาณ 9 อะตอมจงจะมความยาว 1 นาโนเมตร ตอบ

1.1.2 ความหมายของนาโนเทคโนโลย นาโนเทคโนโลย เปนเทคโนโลยในการประกอบและการสรางสงตางๆ ขนจากการน า

อะตอมหรอโมเลกลมาจดเรยงเขาดวยกนดวยความแมนย าและถกตองในระดบนาโน นนคอการจดการวสดในระดบอะตอมหรอโมเลกล เพอสรางวสดหรออปกรณในระดบทไมสามารถมองเหนไดดวยตาเปลา เชน หนยนตคอมพวเตอรขนาดจว ดงนนจงเปนเทคโนโลยของการสรางสงของโดยการน าอะตอมมาวางตอกนทละตวเพอใหสงทสรางขนมามลกษณะพเศษจากวสดธรรมดาทวไป วชานาโนเทคโนโลย จงเปนวชาทไดรวมเอาสาขาวชาทางดานวทยาศาสตร วทยาศาสตรเทคโนโลย และวทยาศาสตรประยกตเขาไวดวยกน


จากอดตจนถงปจจบน จะพบวาการสรางและการประดษฐสงตางๆ ไดรบการพฒนาขนมาเรอยๆ ดงจะเหนไดจากการสรางสงทมขนาดใหญ เชน ก าแพงเมองจน พรามด ปราสาทราชวงตางๆ รวมทงสงทมขนาดเลก เชน โทรทศน วทย คอมพวเตอร และโทรศพท เปนตน ตอมาสงของเหลานมขนาดเลกลงเรอยๆ เพอความสะดวกในการใชงาน และการพกพา จนเปนโทรศพทมอถออจฉรยะ (Smart phone) และคอมพวเตอรแบบกระเปาหว (Notebook) เปนตน นอกจากนตวอยางทเหนไดชด เชน การพฒนาการเกบขอมลทเปลยนจากการใชแผนเกบขอมล (Floppy disk) ซงมเนอทจ ากดไมสามารถเกบไฟลขนาดใหญมากได มาเปนการใชแผนซด (Compact disc, CD) เพยง 1 แผน หรอในปจจบนมแฟลชไดรฟ (Flash drive) ทสามารถเกบขอมลจ านวนมากๆ ได ดวยเหตนนกวสดศาสตร นกวทยาศาสตรเทคโนโลย รวมทงนกวศวกรรมศาสตร จงตระหนกในความส าคญของสงทมขนาดเลกแตมประสทธภาพสง ท าใหสนใจในการศกษาวจยเรองของนาโนเทคโนโลยมากขนในปจจบน

1.2 หลกการพนฐานของนาโนเทคโนโลย

สสาร ประกอบขนจากอะตอมของธาตตางๆ ดวยการจดเรยงตวของอะตอมในรปแบบทตางกน ท าใหสามารถแยกแยะสงตางๆ ออกจากกนได การจดเรยงอะตอมแบบหนงอาจไดอากาศ ดน น า หรอลม ขณะทการจดเรยงอะตอมอกแบบหนงอาจไดแตงโม ฝรง มน หรอขาว เปนตน จากการศกษาการจดเรยงอะตอมตามธรรมชาต จงเปนสงทวางรากฐานของเทคโนโลย และพบวาเทคโนโลยทไดรบการพฒนาอยางตอเนองอาจสามารถแบงออกไดเปน 2 แบบ ดงนคอ

เทคโนโลยกบการพฒนา

เทคโนโลยแบบหยาบ (Bulk technology)

วธการทางกล เชน ตด กลง บบ อด และอนๆ หรออาจใชวธการทางเคม

เทคโนโลยระดบโมเลกล (Molecular technology)

การน าอะตอมหรอโมเลกลมาจดเรยง ณ ต าแหนงทตองการอยางแมนย า


1.2.1 เทคโนโลยแบบหยาบ (Bulk technology) เปนเทคโนโลยทใชมาตงแตสมยโบราณ ซงเปนการจดการกบอะตอมและโมเลกลใน

ลกษณะทเปนกอนขนาดใหญดวยวธการทางกล เชน การกลง การตด การอด การดด หรอการตขนรป และอนๆ ตวอยางเชน การท ามด ทขนรปดวยการเผาเหลกใหรอนแลวตขนรปจากนนน าไปเจยระไนหรอลบใหคม ในปจจบนไดมการพฒนาการจดการกบอะตอมและโมเลกลในระดบขนาดเลกลง เชน การพฒนาใหอปกรณไมโครอเลกทรอนกสมขนาดเลก แตอปกรณเหลานยงคงประกอบดวยอะตอมนบลานตว และยงคงมองเหนไดดวยตาเปลา ถงแมเทคโนโลยแบบหยาบนจะท าใหคอมพวเตอรมขนาดเลกลงและมประสทธภาพสงขน แตการใชเทคโนโลยแบบหยาบในการสรางสงทมขนาดเลก จะเกดความบกพรองไดงาย ขาดความเทยงตรง และขาดความแมนย า

1.2.2 เทคโนโลยระดบโมเลกล (Molecular technology) เทคโนโลยระดบโมเลกล หรอนาโนเทคโนโลย (Nanotechnology) เปนเทคโนโลยใหมทสามารถจดการกบอะตอมหรอโมเลกลแตละตวไดอยางถกตองและเทยงตรง เปนเทคโนโลยทไมสามารถมองเหนไดดวยตาเปลา ตองใชเครองมอในการจดการกบอะตอมหรอโมเลกล การผลตสงตางๆ หรอจดการกบสงตางๆ ในระดบนาโน สามารถท าไดโดยการน าอะตอมหรอโมเลกลมาวางไวในต าแหนงทตองการไดอยางแมนย า โดยสงทผลตขนมขนาดเลกหรอใหญกได

นาโนเทคโนโลยมรากฐานอยบนการผลตในระดบโมเลกล เปนการรวมเอาหลกการทางเคมและทางกลศาสตรมาประยกตใชงาน ในทางเคมโดยทวไปโมเลกลเคลอนทโดยการแพร และการชนกนของโมเลกลในทกต าแหนงและในทกทศทาง ผลของปฏกรยาเคมจงเปนสงทควบคมไดยาก ดงนนการสรางโมเลกลสามารถใชการสงเคราะหทางกล คอใชอปกรณทางกลเพอชวยในการเคลอนทของโมเลกลในการท าปฏกรยา โดยประยกตใชหลกการทางกลศาสตรของการยด และการก าหนดต าแหนง เขากบการท าปฏกรยาเคม การสงเคราะหทางกล จงสามารถสรางความพเศษทท าใหโมเลกลเปลยนแปลงไปและเกดในต าแหนงทเทยงตรง และในล าดบทเทยงตรง การจดเรยงอะตอมจ านวนนบลานถงพนลานอะตอมอยางเทยงตรง ส าหรบการสงเคราะหทางกลจงเปนสงทตองการ


1.3 แนวคดการสรางผลตภณฑ และสงของระดบนาโน ในการผลตหรอสรางวตถทมขนาดเลกระดบนาโนเมตร มวธการพนฐานอย 2 วธคอ

1. เทคโนโลยแบบบนลงลาง (Top down technology) 2. เทคโนโลยแบบลางขนบน (Bottom up technology)

เทคโนโลยแบบบนลงลาง หมายถง การผลตโครงสรางใหมขนาดในระดบนาโนเมตร โดยใชเทคโนโลยแบบหยาบ ตวอยางเชน การผลตไมโครชพคอมพวเตอร

เทคโนโลยแบบลางขนบน หมายถง การผลตโครงสรางหรอผลตสงของโดยการน าอะตอมหรอโมเลกลมาจดเรยงหรอประกอบกนทละอะตอมหรอทละโมเลกล ดงนนเทคโนโลยแบบลางขนบนจงเปนเทคโนโลยระดบโมเลกลหรอนาโนเทคโนโลย

1.4 ประวตความเปนมาของนาโนเทคโนโลย

สกวนหนงเราจะสามารถประกอบสงตางๆ หรอผลตสงตางๆ ขนมาจากการจดเรยงอะตอมดวยความแมนย า และเทาทขาพเจารไมมกฎทางฟสกสใดๆ แมแตหลกแหงความ ไมแนนอน (Uncertainty principle) ของไฮเซนเบรก ทจะมาขดขวางความเปนไปไดน คอค ากลาวของ ศาสตราจารยรชารด ฟายนแมน (Richard Feynman) ทไดกลาวไวตงแตป ค.ศ. 1959 ซงถอไดวาเปนผเปดศกราชของนาโนเทคโนโลย และตอมาไดรบรางวลโนเบลสาขาฟสกสเมอป ค.ศ. 1965 โดยทฤษฎควอนตมหลกของความไมแนนอนของไฮเซนเบรก (Werner K. Heisenberg) คอหลกการทอธบายถงต าแหนงและความเรวของอนภาค ทไมสามารถรต าแหนงและความเรวของอนภาคในเวลาเดยวกนไดอยางถกตองและแมนย า

ค.ศ. 1981 เก รด บนนง (Gred Binning) และไฮน รชโรหเฮอร (Heinrich Rohrer) ประสบความส าเรจในการสรางกลองจลทรรศนกระแสอเลกตรอนแบบหวอานสองกราด (Scanning tunneling microscope, STM) ทสามารถมองเหนการจดเรยงตวของอะตอมของสสารตางๆ ไดอยางชดเจน

เค. อรค เดรกซเลอร (K. Eric Drexler) ถอวาเปนเจาพอแหงนาโนเทคโนโลย ผนยามค าวานาโนเทคโนโลย โดยนาโนเทคโนโลยในจนตนาการของเดรกซเลอร คอ ตนไมท สามารถใชประโยชนจากทกสงทเกยวของกบกระบวนการผลต ไมวาจะเปนน าหรอสาร


คารบอนตางๆ ทน าไปใชเลยง ล าตน สรางใบ ดอก และผล โดยไมเหลอสงตกคางใดๆ ทเปนพษ ในป ค.ศ. 1986 หนงสอชอ จกรกลแหงการสรางสรรค (Engines of creation) ซงมเนอหาทงหมดเกยวกบนาโนเทคโนโลย ทแตงโดย อรค เดรกซเลอร ไดวางจ าหนาย และไดรบความนยมเปนอยางมาก

ป ค.ศ. 2000 รฐบาลของประเทศสหรฐอเมรกา ไดผลกดนใหเกดโครงการรเรมทาง นาโนเทคโนโลยแหงชาตขนมา ท าใหทวโลกเกดกระแสตนตวเกยวกบการพฒนานาโนเทคโนโลยขนอยางมาก ดงแสดงในตาราง 1.2 ซงแสดงรายชอนกวทยาศาสตรกบบทบาทตอการพฒนานาโนเทคโนโลย

ตาราง 1.2 รายชอผไดรบรางวลโนเบล กบบทบาทตอการพฒนานาโนเทคโนโลย

นกวทยาศาสตร

สาขา / ป ค.ศ. บทบาททางดานนาโนเทคโนโลย

- Richard Feynman ฟสกส / 1965 บดาแหงนาโนเทคโนโลย - Robert S. Mulliken เคม / 1965 พฒนาความรเรองโครงสรางเชงอเลกตรอน และพนธะ

เคม ท าใหเชอมโยงสมบตทางกายภาพของสสารกบสมบตเชงอเลกตรอน

- Emst Ruska ฟสกส / 1986 ออกแบบกลองจลทรรศนอเลกตรอนเปนคนแรก - Gerd Binning - Heinrich Rohrer

ฟสกส / 1986 ออกแบบกลอง Scanning tunneling microscope ท าใหเหนภาพระดบอะตอมเปนครงแรก

- Donald J. Cram - Jean-Marie Lehn - Charless J. Pedersen

เคม / 1987 พฒนาความรเกยวกบซปราโมเลกล (Supramolecules) น าไปสการสรางจกรกลโมเลกล (Molecule machine) ทสามารถประกอบตวเองได (Self assembly)

- Elias Jame Corey เคม / 1990 พฒนากระบวนการทางทฤษฎ (Retrosynthetic analysis) ท าให เค มสงเคราะห เปน เรองงาย ขน น าไป สการสงเคราะหจกรกลนาโน โดยการชวยเหลอจากนาโนเทคโนโลยเชงค านวณ


นกวทยาศาสตร

สาขา / ป ค.ศ. บทบาททางดานนาโนเทคโนโลย

- Robert F. Jr. Curl - Sir Harold W. Kroto - Richard E. Smalley

เคม / 1996 คนพบบคกบอล (Bulky ball) และพฒนาจกรกลนาโนแบบทอนาโน (Nanotube) ซงอาจน าไปประยกตใชในคอมพวเตอรนาโน (Nanocomputer) ไดในอนาคต

- Steven Chu - Claude Cohen

Tannoudji

ฟสกส / 1997 สามารถควบคมอะตอมดวยแสงเลเซอร ซงในอนาคตอาจพฒนาใหควบคมจกรกลนาโนได

- Walter Kohn - John A. Pople

เคม / 1998 พฒนาระเบยบวธการค านวณทางกลศาสตรควอนตม ท าใหสามารถท านาย และออกแบบจกรกลนาโนได เปนผ เปดศกราชแหงนาโนเทคโนโลยเชงค านวณ

1.5 การวจยและพฒนานาโนเทคโนโลยในตางประเทศ

ป ค.ศ. 2000 รฐบาลของประเทศสหรฐอเมรกา ไดผลกดนใหเกดโครงการรเรมทาง นาโนเทคโนโลยแหงชาต ซงท าใหทวโลกเกดกระแสตนตวเกยวกบการพฒนานาโนเทคโนโลยขนอยางมาก

ส าหรบกลมประเทศในแถบเอเชย เชน ประเทศญปน ไดจดตงศนยวทยาศาสตรนาโนและนาโนเทคโนโลยขน ในมหาวทยาลยโอซากา มการวจยดานนาโนเทคโนโลย และใหความส าคญกบนาโนเทคโนโลยอยางมาก ทงการใหทนการศกษาและทนวจย โดยการศกษาในระดบปรญญาตรของมหาวทยาลย ไดมการจดการเรยนการสอนดานนาโนเทคโนโลยขน และมการเรยนการสอนดานการสรางสรรคอตสาหกรรมใหม ทอยบนพนฐานของวทยาศาสตร นาโน เชน มหาวทยาลยโทโฮค มการเรยนการสอนดานวศวกรรมการแพทยในอนาคต ทอยบนพนฐานของนาโนเทคโนโลยชวภาพ

1.6 การวจยและพฒนานาโนเทคโนโลยในประเทศไทย ประเทศไทยเรมด าเนนการวจยทางดานวทยาศาสตรนาโนทางดานกระบวนการเชง

ตวเลข (Computational nanoscience) เปนครงแรกโดย ผ ชวยศาสตราจารย ดร.ธรเกยรต


เกดเจรญ ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยมหดล เมอป พ .ศ. 2538 ซงขณะนนบคคลสวนใหญในเมองไทยยงคดวา นาโนเทคโนโลยเปนเรองทเปนไปไมได ตอมาไดมการจดต ง ศนยนาโนเทคโนโลย มหาวทยาลยมหดล และดร.ธรเกยรต เกดเจรญ ไดท าการวจยเกยวกบนาโนเทคโนโลยเรอยมา มงานวจยทางนาโนเทคโนโลยทหลากหลาย มหวของานวจยทางนาโนเทคโนโลย ทนาสนใจ เชน โพลเมอรน าไฟฟา (Conductive polymers) เซนเซอรตรวจโรค ทอนาโนคารบอน (Carbon nanotube) ระบบรบรกลน และอปกรณเปลงแสงอนทรย เปนตน

ตอมาป พ.ศ. 2544 ส านกงานกองทนสนบสนนการวจย (สกว.) อนมตใหด าเนนการวจยทางดานอปกรณโมเลกล นบเปนโครงการวจยทางดานวทยาศาสตรนาโนโครงการแรกของประเทศไทยทไดรบการสนบสนนจากหนวยงานระดบชาต

ป พ.ศ. 2546 คณะรฐมนตรอนมตจดตงศนยนาโนเทคโนโลยแหงชาต และไดจดท า แผนทน าทาง (Road map) อยางเปนระบบแบบแผนทางดานนาโนเทคโนโลย โดยรวมหนวยงานตางๆ ทกกระทรวงเพอบรณาการสรางความเขมแขงใหอตสาหกรรมไทยโดยใช นาโนเทคโนโลย ปจจบนนาโนเทคโนโลยในประเทศไทยไดรบความสนใจในการศกษาวจยมากขน เพอการพฒนาท งในภาคอตสาหกรรม เกษตรกรรม โทรคมนาคม การสอสาร และในทางการแพทย โดยการสนบสนนทนวจยจากรฐบาลใหกบนกวจย รวมทงอาจารยในมหาวทยาลย และนกวชาการดานตางๆ ทเกยวของเพมมากขน


บรรณานกรม

1. ธรเกยรต เกดเจรญ. 2551. นาโนเทคความเปนไปไดและทศทางในอนาคต . [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/index.html (25 ตลาคม 2554)

2. ธรเกยรต เกดเจรญ . 2547. บทบาทของประเทศไทยกบโลกนาโนเทคโนโลย . [ระบบอ อ น ไ ล น ]. แ ห ล ง ท ม า http: / /nanotech.sc.mahidol.ac. th/nano/Thainano.pdf (1 พฤศจกายน 2554)

3. ธรเกยรต เกดเจรญ. 2543. สถานการณนาโนศาสตรในประเทศไทย. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/course/ (1 พฤศจกายน 2554)

4. ผ จ ดการออนไลน . 2549. ขายแลว!! เสอนาโนไมตองซก -ยบย งแบคทเรย . [ระบบอ อ น ไ ล น ]. แ ห ล ง ท ม า http://www.manager.co.th/Science/ViewNews.aspx? NewsID=9490000054757 (25 ตลาคม 2554)

5. ผ จ ดการออนไลน . 2548. นกวจยไทยเตรยมผลตพลาสเตอรยาเสนใยนาโนผสมยาปฏชวนะรกษาแผลเบาหวาน. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.manager.co. th/Science/ViewNews.aspx?NewsID=9480000151628&TabID=2& (25 ต ล า ค ม 2554)

6. ผจ ดการออนไลน . 2548. มหดลผลตหลอดไฟนาโนทดแทนอปกรณอเลกทรอนกส. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.manager.co.th/Science/ViewNews.aspx? NewsID=9480000005899 (25 ตลาคม 2554)

7. ผจดการออนไลน . 2548. สนช. – จฬาฯ โชว “เสอกฬานาโน” ตวแรกของไทย. [ระบบอ อ น ไ ล น ]. แ ห ล ง ท ม า http://www.manager.co.th/Science/ViewNews.aspx? NewsID=9480000100580 (25 ตลาคม 2554)

8. ยอดหทย เทพธรานนท, ประมวล ตงบรบรณรตน. 2545. นาโนเทคโนโลย…เทคโนโลยซเปอรจว. กรงเทพฯ: ส านกงานพฒนาวทยาศาสตรและเทคโนโลยแหงชาต. 102 น.

http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/index.html

http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/nano/Thainano.pdf

http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/center/noy.htm

http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/course/

http://www.manager.co.th/Science/ViewNews.aspx?%20NewsID=9490000054757







9. รอฮม ปรามาท. 2548. นาโนเทคโนโลย นวตกรรมจวปฏวตโลก. 8. กรงเทพฯ: มตชน. 206 น.

10. วลาส นรนดรสขศร. 2540. นาโนเทคโนโลย สรางโลกทดกวา…ทละอะตอม. อพเดท 12(134): 56–62.

11. ศนยนาโนเทคโนโลยแหงชาต. 2554. ความเปนมาของนาโนเทคโนโลย. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.nanotec.or.th/nanotec/index.php# (25 ตลาคม 2554)

12. สมนก บญพาไสว. 2545. นาโนเทคโนโลย เทคโนโลยในศตวรรษท 21. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://design.ipst.ac.th/docu/photo/D008.pdf (1 พฤศจกายน 2554)

13. ส รน ท ร ล ม ป น าท . 2547. น าโน เท ค โน โล ย . [ระบ บ ออน ไลน ]. แห ล ง ท ม า http://www.material.chula.ac.th/RADIO47/May/radio5-1.htm (25 ตลาคม 2554)

14. อดสร เตอนตรานนท. 2548. นาโนเทคโนโลย จวแตแจว. กรงเทพฯ: เนชนบคส. 260 น. 15. Bruus, H. 2004. Introduction to nanotechnology. Denmark: Department of Micro and

Nanotechnology. 97 pages. 16. Drexler, K.E. 2005. Engines of Creation: The coming era of nanotechnology.

[Online]. Available http://www.foresight.org/EOC/Engines.pdf (1 November 2011)

17. Feynman, R.P. 2003. Handbook of Nanoscience, Engineering, and technology: there’s plenty of room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics, CRC Pres LLC.

18. Fujita, H., Toshiyoshi, H., Hashigushi, G., Wada, Y. 2001. Micromachined tools for nano technology, RIKEN Review 36: 12-15.

19. Goddard, W.A., Brenner, D., Lyshevski, S.E., Iafrate, G.J. 2003. Handbook of nanoscience, engineering and technology. [Online]. Available http://books. google.co.th/books?id=dJ-jIv1Hv2EC&pg=PA3&lpg=PA3&dq=Handbook+of+ Nanoscience,+Engineering,+and+Technology:+There%E2%80%99s+Plenty+of+Room+at+the+Bottom:+An+Invitation+to+Enter+a+New+Field+of+Physics&source

http://www.nanotec.or.th/nanotec/index.php

http://design.ipst.ac.th/docu/photo/D008.pdf

http://www.material.chula.ac.th/RADIO47/May/radio5-1.htm

http://www.foresight.org/EOC/Engines.pdf


=bl&ots=-1KQn8riEj&sig=wYNjKqMLigTsDwj1OddJJReIGMc&hl=th&sa=X& ei=AOGvUsj6NsGkrQe8i4DQDA&ved=0CDcQ6AEwAQ#v=onepage&q=Handbook%20of%20Nanoscience%2C%20Engineering%2C%20and%20Technology%3A%20There%E2%80%99s%20Plenty%20of%20Room%20at%20the%20Bottom%3A%20An%20Invitation%20to%20Enter%20a%20New%20Field%20of%20Physics&f=false (1 พฤศจกายน 2554)

20. Merkle, R.C. 2000. Nanotechnology the manufacturing of 21st century. [Online]. Available http://www.21stcentury.co.uk/science/nanotechnology.asp (1 November 2011)

21. Minsky, M. 2005. Engines of creation: the coming era of nanotechnology. [Online]. Available http://www.foresight.org/EOC/Engines.pdf (1 November 2011)

22. Smalley, R.E. 1999. Nanotechnology: prepared written statement and supplemental material. [Online]. Available http://www.house.gov/science/smalley_062299.htm (1 November 2011)

23. Uplaznik, M. 2002. Introduction to nanotechnology-soft lithography, University of Ljubljana, 23 page.

http://www.21stcentury.co.uk/science/nanotechnology.asp

http://www.foresight.org/EOC/Engines.pdf

http://www.house.gov/science/smalley_062299.htm


ค าถามทายบท

1.1 วสดทมขนาดเลกในระดบนาโน (Nanoscale) ส าคญอยางไร มนษยเรมใชประโยชนจากวทยาศาสตรระดบนาโนตงแตสมยใด และใชประดษฐสงใดบาง และสงนนมสมบตพเศษอยางไร

1.2 บคคลทไดรบการยกยองวาเปรยบเสมอนบดาแหงนาโนเทคโนโลยคอใคร 1.3 กลมนกวทยาศาสตรทสรางเครอง STM ทเปนจดเรมตนความเปนไปไดในการ

จดเรยงอะตอม ไดแกบคคลใดบาง 1.4 โครงสรางนาโนใดทถกน ามาใชเปนครงแรกโดยมนษยเปนผสงเคราะห 1.5 การคนพบโครงสรางนาโนแหงชวต ซงกคอ ดเอนเอ ครงแรกนน เกดขนไดดวยฝมอ

ของเหลานกวทยาศาสตรทานใดบาง 1.6 อธบายความแตกตางระหวางการวจยทางวทยาศาสตรและการวจยทางเทคโนโลย 1.7 เทคโนโลยแบบหยาบและเทคโนโลยระดบโมเลกลแตกตางกนอยางไร 1.8 ประเทศไทยมการวจยและพฒนาดานนาโนเทคโนโลยแตกตางอยางไรกบ

ตางประเทศ 1.9 อนภาคทรงกลมรศม 1 ไมโครเมตร หากน ามายอยเปนทรงกลมใหมใหมรศม 1

นาโนเมตร จะไดกลก และจงเปรยบเทยบพนทผวทงหมดกอน และหลงยอยอนภาคน (1000 ลก)

บทท 2 หลกการทางวทยาศาสตรพนฐานส าหรบนาโนเทคโนโลย:

2.1 อะตอมและโมเลกล 2.2 ฟสกสของอะตอม และกลศาสตรควอนตม

2.2.1 กลศาสตรคลาสสก (Classical mechanics) หรอ กลศาสตรของนวตน (Newtonian mechanics)

2.2.2 กลศาสตรควอนตม (Quantum mechanics) 2.2.3 หลกความไมแนนอนของไฮเซนเบรก (Heisenberg uncertainty principle)

2.3 หลกการทางวทยาศาสตร 2.3.1 หลกการทางแสง 2.3.2 หลกการเชงกล 2.3.3 หลกการทางไฟฟา 2.3.4 หลกการทางแมเหลก

2.4 ระบบชวภาพ 2.5 การตรวจจบโมเลกล

16 บทท 2 : หลกการทางวทยาศาสตรพนฐานส าหรบนาโนเทคโนโลย

2.1 อะตอมและโมเลกล ลซพปส (Leucippus) และดโมครตส (Democritus) นกปราชญชาวกรกโบราณ เรยก

หนวยทเลกทสดของสสาร ทไมสามารถแบงแยกตอไปไดอก วา อะตอม (Atom) ซงเปนค าทมาจากภาษากรก แปลวาสงทเลกทสด โดยทงคพยายามศกษาเกยวกบวตถทมขนาดเลก (ฟสกสระดบจลภาค; Microscopic) และมแนวความคดเกยวกบโครงสรางของสสารวา สสารทงหลายประกอบดวยอนภาคทเลกทสด ไมสามารถมองเหนได และไมสามารถแบงแยกใหเลกลงไดอก อะตอมประกอบดวย นวตรอน (Neutron; n) โปรตอน (Proton; p) และอเลกตรอน (Electron, e-) มารวมกน โดยนวตรอนเปนกลางทางไฟฟา โปรตอนมประจบวก (+) และอเลกตรอนมประจลบ (-) ดงแสดงในภาพ 2.1

ภาพ 2.1 แบบจ าลองอะตอม (บทเรยนเคมออนไลน. 2554)

จากภาพ 2.1 แสดงแบบจ าลองอะตอม ประกอบดวยโปรตอน และนวตรอนอยตรงกลาง เรยกวานวเคลยสของอะตอม และอเลกตรอนอยรอบๆ อะตอม เนองจากนวเคลยสของอะตอม และอเลกตรอนมประจไฟฟาตางกน แรงทางแมเหลกไฟฟาจงดงดดโครงสรางของอะตอมไวดวยกน มวลท งหมดของอะตอมรวมกนอยในนวเคลยสซงเปนสวนเลกๆ ของอะตอม ในอะตอมทเปนกลางทางไฟฟา (ไมมประจไฟฟา) จ านวนอเลกตรอนจะสมดลกบประจในนวเคลยส แตถาจ านวนอเลกตรอนไมสมดลกบประจในนวเคลยส เนองจากอเลกตรอนจะอยบรเวณรอบนวเคลยส โดยทวไปอะตอมทมจ านวนอเลกตรอนมากกวาจะม

โปรตอน นวตรอน

อเลกตรอน

บทท 2 : หลกการทางวทยาศาสตรพนฐานส าหรบนาโนเทคโนโลย 17

ขนาดใหญกวาอะตอมทมอเลกตรอนนอย ซงถาจ านวนอเลกตรอนไมเทากบประจในนวเคลยสหรอจ านวนโปรตอน อะตอมนนจะมประจไฟฟาหรอเรยกวาไอออน (Ion) ถามอเลกตรอนมากกวาโปรตอนอะตอมจะมประจไฟฟาลบ เรยกวาไอออนลบ (Negative ion) ในทางกลบกน ถาอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนอะตอมจะมประจไฟฟาบวก (Positive ion)

อะตอมทกชนดมขนาดโดยเฉลยประมาณ 0.1 นาโนเมตร อะตอมฮเลยม (He) มขนาด มขนาดประมาณ 0.1 นาโนเมตร และอะตอมยเรเนยม (U) มขนาดประมาณ 0.22 นาโนเมตร อะตอมเปนองคประกอบพนฐานของทกสงซงเรมตนขนตอนแรกโดยการรวมตวกนเปนโมเลกล

โมเลกล (Molecule) คอ การประกอบกนของอะตอมหลายๆ อะตอม ยดตดกนตามโครงสรางของอะตอม เพอท าหนาทอยางใดอยางหนง โดยยงคงสมบตของสารนนไว ภาพ 2.2 แสดงตวอยางของโมเลกลของสารบางชนด

ภาพ 2.2 โมเลกลของสารบางชนด (บทเรยนเคมออนไลน, 2554)

การยดตดกนของอะตอมมหลายลกษณะ ทงนขนอยกบปฏสมพนธระหวางอเลกตรอนของแตละอะตอมหรอไอออน ไอออนบวกจะดงดดไอออนลบดวยแรงทางไฟฟา โดยเปนไปตามกฎของคลอมบ (Coulomb’s law) การยดตดกนและการสลายของอะตอมเปนปฏกรยาเคม

โมเลกลของธาต โมเลกลของสารประกอบ

ไฮโดรเจน

คลอรน

แอมโมเนย

น า


เนองจากอเลกตรอนท าหนาทยดอะตอมใหตดกน ดงนนอเลกตรอนจงมสวนส าคญในการก าหนดสมบตทางเคมของอะตอมและโมเลกล ถาหากอเลกตรอนเปลยนแปลงไป สมบตทางเคมของอะตอมและโมเลกลจะเปลยนแปลงไปดวย ยกตวอยางเชน อะตอมของโซเดยมและคลอไรด ถาบรโภคเขาไปในลกษณะทแยกเปนอะตอมแตละชนดจะเปนพษตอรางกาย แตเมอทงสองรวมกนเปนโซเดยมคลอไรด (เกลอแกง) จะไมเปนพษตอรางกาย

กฎของคลอมบ คอ แรงระหวางวตถทมประจไฟฟาจะแปรผนโดยตรงกบขนาดของประจและจะแปรผกผนกบระยะหางระหวางประจยกก าลงสอง ซงเปนไดทงแรงดดและแรงผลก ถาเปนประจชนดเดยวกนจะเกดแรงผลกกน และถาเปนประจตางชนดกนจะเกดแรงดดกน สมการตามกฎของคลอมบ มดงนคอ

2

21

r

QQF …………… (2.1)

2

21

r

QkQF = …………… (2.2)

เมอ Q1 คอ ประจไฟฟาของวตถท 1 Q2 คอ ประจไฟฟาของวตถท 2 r คอ ระยะหางระหวางประจ k คอ คาคงตวของคลอมบ (Coulomb constance) มคาเทากบ 9 109 Nm2/C2 ในอากาศหรอสญญากาศ

หรอ 04

1

=k เมอ คอ คาสภาพยอมสมพทธ (Permittivity) ของตวกลาง

0 คอ คาสภาพยอมสมพทธของสญญากาศ มคาเทากบ 8.85410-12 C2/Nm2


ตวอยาง 2.1 อเลกตรอน 6.02 1023 อะตอม มประจ -1.6 10-19 คลอมบ และไฮโดรเจนมมวล 1 กรม จะตองเคลอนอเลกตรอนหางจากอะตอมไฮโดรเจนเทาใด แรงดงดดระหวางประจจงจะเทากบน าหนกของไฮโดรเจน 1 อะตอม วธท า น าหนกของไฮโดรเจน 1 อะตอม เทากบ 1.66 10-26 นวตน

สมมตอเลกตรอนอยหางจากอะตอมไฮโดรเจน a เมตร แลวเกดแรงดงดด เทากบน าหนกของไฮโดรเจน 1 อะตอม แทนคาลงในสมาการ

2

21

r

QkQF =

2

21922926

aC)10(1.6)/CNm10(9N101.66

−−

=

0.118a =

m ตอบ

อน ต รก ร ย า โค เว เลน ต (Covalent interactions) และน อน โค เว เลน ต (Noncovalent interactions)

พนธะทางเคม (Bond) หรอลกษณะการยดตดกนของอะตอม เปนหวใจส าคญของนาโนเทคโนโลย โดยพนธะทางเคมท าใหอะตอมและไอออนรวมตวกนสรางเปนโมเลกลแบบตางๆ นอกจากนพนธะทางเคมยงสามารถท าหนาทเปนกลไกขนาดจว เชน ท าหนาทเปนโครงสรางส าหรบจกรกลในระดบนาโน ซงโมเลกลท าหนาทเปนจกรกลระดบนาโน ดงนนพนธะเคมจงเปนโครงสรางส าหรบจกรกล ซงเปนกลไกสวนหนงของจกรกลนาโน

อนตรกรยาโคเวเลนต (Covalent interactions) คอ อนตรกรยาทเกดขนจากการซอนทบกนบางสวนของ Occupied orbitals ของอะตอม ดงแสดงในภาพ 2.3 อนซงมการใชคของอเลกตรอนรวมกนระหวางอะตอม เรยกวา พนธะโคเวเลนต (Covalent bonds) ซงมความส าคญในการศกษาโมเลกลขนาดเลกในระดบนาโนเมตร ในทางตรงกนขามอนตรกรยานอนโคเวเลนต (Noncovalent interactions) การซอนทบกนจะไมเกดขน จดเปนอนตรกรยา


ระหวางโมเลกล (Intermolecular interactions) หรอแรงระหวางโมเลกล (Intermolecular forces) โดยมากแลวมกจะพบในโมเลกลทมขนาดใหญซงเกดจากแรงไฟฟาสถต อนตรกรยานอนโคเวเลนตมความส าคญในการศกษาโมเลกลขนาดใหญ (Macromolecules) และในเคม ซปราโมเลกลาร (Supramolecular chemistry)

ภาพ 2.3 ลกษณะการเกดพนธะโคเวเลนตระหวางอะตอม (Mansoori, 2004) จ านวนของพนธะโคเวเลนตทเกดขนในอะตอมขนอยกบจ านวนอเลกตรอน

นอกสด (Valence electrons) ของอะตอม ถามการใชอเลกตรอนรวมกน 1 ค (Single pair) เรยกพนธะทเกดขนวา พนธะเดยว (Single bond) ถามการใชอเลกตรอนรวมกน 2 ค (Double pair) เรยกพนธะทเกดขนวา พนธะค (Double bond) และถามการใชอเลกตรอนรวมกน 3 ค (Triple pair) เรยกพนธะทเกดขนวา พนธะค (Triple bond) ในกรณของพนธะโคเวเลนซทเกดการใชอเลกตรอนรวมกนโดยท อเลกตรอนน นมาจากอะตอมใดอะตอมหนงเรยกวา พนธะโคออรดเนตโคเวเลนต (Coordinate covalent bonds) ยกตวอยางการเกดพนธะโคออรดเนตโคเวเลนต ระหวาง N-H ในแอมโมเนยมไอออน (NH4

+) ดงแสดงในภาพ 2.4

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B9%81%E0%B8%A3%E0%B8%87%E0%B9%84%E0%B8%9F%E0%B8%9F%E0%B9%89%E0%B8%B2%E0%B8%AA%E0%B8%96%E0%B8%B4%E0%B8%95&action=edit&redlink=1

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B9%80%E0%B8%84%E0%B8%A1%E0%B8%B5%E0%B8%8B%E0%B8%B8%E0%B8%9B%E0%B8%A3%E0%B8%B2%E0%B9%82%E0%B8%A1%E0%B9%80%E0%B8%A5%E0%B8%81%E0%B8%B8%E0%B8%A5%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B9%8C&action=edit&redlink=1

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B9%80%E0%B8%84%E0%B8%A1%E0%B8%B5%E0%B8%8B%E0%B8%B8%E0%B8%9B%E0%B8%A3%E0%B8%B2%E0%B9%82%E0%B8%A1%E0%B9%80%E0%B8%A5%E0%B8%81%E0%B8%B8%E0%B8%A5%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B9%8C&action=edit&redlink=1


ภาพ 2.4 พนธะโคออรดเนตโคเวเลนต ระหวาง N-H ในแอมโมเนยมไอออน (NH4

+) (บทเรยนเคมออนไลน, 2554)

อนตรกรยาโคเวเลนตแขงแรงกวาอนตรกรยานอนโคเวเลนต อนตรกรยาแบบ

ออนๆ ของนอนโคเวเลนตไดรบการยอมรบครงแรก โดย J.D. Van der Waals เมอศตวรรษท 19 อนตรกรยาโคเวเลนตมชวงความยาวพนธะทส น (Short range) นอยกวา 0.2 นาโนเมตร ในขณะทอนตรกรยานอนโคเวเลนตมชวงความยาวพนธะทยาวกวา (Long range) แตยงอยในชวงนาโนเมตร ตาราง 2.1 ความแตกตางระหวางอนตรกรยาโคเวเลนต และนอนโคเวเลนต

ชนดของอนตรกรยา (Interaction type)

โคเวเลนต (Covalent)

นอนโคเวเลนต (Noncovalent)

ชนดของพนธะ (Bond type) พลงงาน (kcal/mol) ความเสถยร (Stability)

โคเวเลนต (Covalent bonds) 25-200 เสถยร

แวนเดอรวาลส (Van der Waals), พนธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond) 0.1-5 เสถยรนอย

พนธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond) คอ พนธะทเกดจากแรงดงดดระหวางโมเลกลของไฮโดรเจนอะตอมทสรางพนธะโคเวเลนตกบอะตอมทมคาอเลกโทรเนกาตวต

H+ H

พนธะโคออรดเนตโคเวเลนต

101.7 pm 101.7 pm

107.8 107.8


(En) สงมากๆ เชน ฟลออรน (F) ออกซเจน (O) และไนโตรเจน (N) ซงมคาอเลกโทรเนกาตวตประมาณ 3.98 3.44 และ 3.04 ตามล าดบ แลวเกดพนธะโคเวเลนตแบบมขวชนดมสภาพขวแรงมากขน

แรงแวนเดอรวาลส (Van der Waals) คอ แรงดงดดระหวางโมเลกลแบบออนๆ ทชวยยดโมเลกลเขาดวยกน ซงแบงออกเปนม 3 ประเภทดงน คอ

- แรง Dipole-dipole คอ แรงทเกดจากการกระท าระหวางโมเลกลแบบมขวซงมไดโพลแบบถาวร ซงขนอยกบการจดเรยงตวสมพทธของโมเลกล และต าแหนงทอย

- แรง Dipole-induced dipole คอ แรงจากโมเลกลทมขวทเกดการเหนยวน าใหโมเลกลหรออะตอมตวอนมขวดวย เกดแรงกระท าตอกนของอะตอมหรอโมเลกลนน ซงแรงนจะมากหรอนอยขนอยกบความสามารถในการเกดสภาพมขว (Polarizability) ของโมเลกลทถกเหนยวน า โดยทวไปอะตอมหรอโมเลกลทมขนาดใหญ จะมความสามารถในการเกดสภาพมขวสงกวาอะตอมหรอโมเลกลทมขนาดเลก

- แรง London คอ แรงดงดดระหวางโมเลกลทไมมข วดวยกน โดยปกตโมเลกลทไมมขวจะประพฤตตวเปนกลางในบางครง เนองจากอเลกตรอนเคลอนทไปรวมอยดานใดดานหนงของอะตอมหรอโมเลกลท าใหเกดสภาพขวชวคราวขน

2.2 ฟสกสของอะตอม และกลศาสตรควอนตม

ฟสกสของอะตอม และกลศาสตรควอนตม นบไดวาเปนจดเปลยนของเทคโนโลยแบบหยาบ ไปสเทคโนโลยระดบโมเลกล (อธบายไวในบทท 1) กลศาสตรควอนตม เกยวของกบสาขาวชาฟสกส และสาขาวชาเคม กลาวคอหากไมมกลศาสตรควอนตมกไมมเคม เพราะไมสามารถอธบายสมบตในระดบอะตอมและโมเลกลได นอกจากนยงเกยวของกบสาขาวชาชววทยา และสาขาวชาชววทยาระดบโมเลกล โดยปจจบนสาขาวชานท าใหเกดความเขาใจตอกลไกทจะน าไปสการพฒนาเทคโนโลยชวภาพมากขนซงจะชวยท าใหมนษยมความเปนอยทดขน


2.2.1 กลศ าสต รคล าส ส ก (Classical mechanics) ห รอกลศาสต รของ น วต น (Newtonian mechanics)

เซอร ไอแซก นวตน (Sir Isaac Newton) นกคณตศาสตรชาวองกฤษ สามารถอธบายการเคลอนทของวตถตางๆ ไดส าเรจ ซงค าอธบายเหลานนตอมาเรยกกนวา ทฤษฎกลศาสตรคลาสสก (Classical mechanics) หรอกลศาสตรของนวตน (Newtonian mechanics) เปนหลกส าคญในการอธบายปรากฏการณระดบมหภาค (Macroscopic) ของการเคลอนทของวตถใดๆ ทงทอยบนโลกจนถงวตถทางดาราศาสตร ปรากฏการณสวนใหญสามารถสงเกตไดโดยตรงหรอจากสถานการณทจ าลองขนดวยเครองมออยางงาย ในกฎการเคลอนทของนวตนเปนการศกษาและอธบายการเคลอนทของวตถในเงอนไขเรมตน (Initial condition) โดยก าหนดต าแหนงและความเรวของวตถท งหมดเปนฟงกชนของเวลา และถอวาปรมาณตางๆ เชน ต าแหนง มวล ความเรว และความเรงของอนภาค สามารถวดคาไดแนนอน กลศาสตรนวตนใชไดจรง และอธบายไดอยางถกตองส าหรบพฤตกรรมการเคลอนทของวตถ และคาทวดไดของปรมาณตางๆ ทสงเกตซงตรงกบการค านวณ

ระบบมหภาคสามารถใชแนวความคด และทฤษฎทางกลศาสตรคลาสสกอธบายไดเปนอยางดและถกตอง แตส าหรบระบบจลภาค (Microscopic) เมอน าแนวความคดและทฤษฎทางกลศาสตรคลาสสกมาศกษา และประยกตใช ผลทไดไมสอดคลองกบความเปนจรงหรอตรงกบความเปนจรงเพยงบางสวนหรอไมสามารถอธบายได ยกตวอยางเชน เมอน าทฤษฎทางกลศาสตรคลาสสกมาอธบายแบบจ าลองของอะตอม ซงเกยวของกบอเลกตรอน ทมคณสมบตเปนไดท งคลน และอนภาค ปรากฏวาไมมแบบจ าลองใดใหผลสอดคลองกบความเปนจรง ดงนนทฤษฎกลศาสตรคลาสสกไมสามารถใชไดทกสถานการณ ดงเชนวตถทเคลอนทดวยความเรวเขาใกลความเรวแสง จะไมสามารถอธบายการเคลอนททมความเรวเขาใกลแสงได จะตองใชทฤษฎสมพทธภาพพเศษของไอนสไตน (Einstein’s special theory of relativity) มาอธบาย และถาวตถน นมขนาดเลกลงระดบอะตอม (เชน อเลกตรอนในอะตอม) จะตองใชกลศาสตรควอนตมมาอธบาย


2.2.2 กลศาสตรควอนตม (Quantum mechanics) กลศาสตรควอนตมเปนแนวคดทครอบคลมหลายสงทนาสนใจ และทาทาย โดยเฉพาะ

ในระดบทเลกมาก พลงงานและประจทสสารไดรบจะเปนกอนพลงงานทเรยกวา ควอนตา (Quanta) ซงเปนพหพจนของควอนตม โดยการไดรบพลงงานจะรบทละกลมกอนพลงงาน

กลศาสตรควอนตมจงสามารถอธบายวตถในระดบจลภาคได เชนการศกษาอะตอมและโมเลกล กลศาสตรควอนตมจงถกน าไปใชเปนหลกการพนฐานในการอธบายพฤตกรรม หรอสมบตของโครงสรางนาโนหลายๆ ดาน ตวอยางเชน การก าหนดขนาดของสายสงกระแสวาจะมขนาดเลกสดเทาใด โดยทยงสามารถสงประจไฟฟาได หรอจะสามารถใหพลงงานแกโมเลกลไดมากเทาใดโดยไมท าใหเกดการเปลยนแปลงสถานะของประจ กลศาสตรควอนตมมความส าคญตอนาโนเทคโนโลยหลายๆ ดาน รวมทงทางดานเชงแสง หรอออพตกส (Optics) ซงไดแก การทแสงมปฏสมพนธกบวตถ ตวอยางเชน โมเลกลขนาดใหญทมชอวา พทาโล- ไซยานน (Phthalocyanin) เปนตวท าใหเกดสน าเงนในกางเกงยน เมอเปลยนโครงสรางเรขาคณตหรอโครงสรางทางเคมจะท าใหกลายเปนสเขยวหรอสมวง การเปลยนแปลงสเกดจากขนาดของควอนตาแสงทมปฏสมพนธกบโมเลกลทเปลยนแปลงไป ซงสงผลตอการรบภาพสของสายตา เชนเดยวกบการเปลงสเขยวหรอเหลองของหลอดฟลออเรสเซนต ซงขนอยกบโมเลกลหรอโครงสรางนาโนทตวหลอด หรอการมองเหนทองมสเปลยนแปลงไปเมอมขนาดเลกลงในระดบนาโน เนองจากการดดกลนแสงทมความยาวคลนหรอชวงสทตางออกไป

2.2.2.1 ทฤษฎควอนตม (Quantum theory) ในวชาเคมใชอธบายโครงสรางภายในอะตอมและบทบาทของอเลกตรอนท า

ใหทราบสมบตของสารทงหมดในปฏกรยาเคม เชน - พลงงานของอเลกตรอน - การจดเรยงตวของอเลกตรอน - จ านวนอเลกตรอนในอะตอม ควอนตม (Quantum) คอ พลงงานปรมาณทนอยทสดทเปลงออกมา (หรอ

ดดกลน) ในรปการแผรงสของคลนแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic radiation)


คลนแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic wave, EM) ประกอบดวย สนามไฟฟา (Electric field) และสนามแมเหลก (Magnetic field) ทมความถ () และความยาวคลน () เดยวกน จงมอตราเรวเทากน (v) แตเคลอนทไปในระนาบทตงฉากกน

2.2.2.2 ความเปนมาของควอนตม ตาราง 2.2 นกวทยาศาสตรกบแนวคดทางควอนตม

ป ค.ศ. นกวทยาศาสตร แนวคด 1873 Maxwel แสงในชวงทมองเหนได (Visible light) ประกอบดวยคลนแมเหลกไฟฟาทม

ทงสนามไฟฟา และสนามแมเหลกเคลอนทตงฉากกน 1900 Planck อะตอมแลโมเลกลสามารถเปลง (หรอดดกลน) พลงงานไดเฉพาะบางคา

เทาน น และพลงงานทเปลงออกมามลกษณะคลายกลมกอนพลงงาน เรยกปรมาณของพลงงานทนอยทสดทเปลงออกมา (หรอดดกลน) ในรปการแผรงสแมเหลกไฟฟาวา ควอนตม (Quantum)

1905 Einstein แสงทมความถจ าเพาะคาหนงตกกระทบผวโลหะท าใหมอเลกตรอนอสระวงเขาหาขวบวก เกดการเคลอนทของ อเลกตรอน ซงปรากฏการณนไมสามารถอธบายไดดวยทฤษฎคลนแสง โดยกลาววาแสงไมใชคลน และเรยกอนภาคของแสงวาโฟตอน (Photon)

1913 Bohr สเปตรมการเปลงแสง (Emission spectrum) ของอะตอมไฮโดรเจน คอ แถบการแผรงสของวตถเมอมการกระตนดวยพลงงานโดย - อเลกตรอนเคลอนทเปนวงโคจร (Orbit) แบบไมจ ากดจ านวน เปนรปทรงกลม มรศมแนนอน และพลงงานมคาทแนนอน

- พลงงานอเลกตรอนทเพมขน ท าใหอเลกตรอนเคลอนทไปอยในวงโคจรทไกลขนดงนนถาอเลกตรอนจะกลบเขาสวงโคจรเดมจะตองแผรงสออกมาในรปโฟตอน

1924 de Broglie อเลกตรอนมสมบตเปนไดท งคลน และอนภาคซงถกตองในกรณของอะตอมของไฮโดรเจน แตไมสามารถอธบายกรณอะตอมทมอเลกตรอนมากกวา 1 ตว

1926 Schrodinger พจารณาอเลกตรอนในเชงกลศาสตรควอนตม (Quantum mechanics) อธบายพฤตกรรมของอนภาค ทมมวล (m) และคลนในรปของฟงกชนคลน (Wave function, )


ส าหรบอนภาคมวล (m) ทมพลงงานศกย U(x) เคลอนทในหนงมตตามแกน x ดวยพลงงาน E มรปแบบของสมาการชโรดงเจอร เปนดงน

)()()(

)(

2 2

22

xExxUdx

xd

m

h

=

+−

…………… (2.3)

เมอ U(x) = 0

ดงนน )(

)(

2 2

22

xEdx

xd

m

h

=

−

Edx

xd

m

hx

1)(

2)(

2

22

−=

2

1

22

2

2)

2(;

)(1)(

h

mEk

dx

xd

kx =

−=

)sin()( kxx =

2;

2sin)( == k

xx

p

h

h

pxx ==

;

2sin)( …………… (2.4)

เมอ คอ ฟงกชนคลน (Wave function)

p คอ โมเมนตม (Momentum) h คอ

คาคงทของพลงค มคาเทากบ 6.626 × 10– 34 J.s

คอ ความยาวคลน (Wavelength) ก าลงสองของฟงกชนคลน 2 แสดงความนาจะเปน (Probability) ในการพบ

อเลกตรอนในทวาง (Space) ถามคามากแสดงวามโอกาสในการพบอเลกตรอนมาก สมการนใชเปนขอสรปวา อเลกตรอนเปนไดทงอนภาคและคลน และระบไดวาอเลกตรอนมต าแหนงไม

)(x

x


แนนอนรอบนวเคลยส (Nucleus) ดงน นจงเรยกบรเวณทพบอเลกตรอน ณ บรเวณหนงในอะตอมวาความหนาแนนอเลกตรอน (Electron density) หรอกลมเมฆอเลกตรอน (Electron cloud) ซงตอมาเรยกวา ออรบทล (Orbital) หรอออรบทลอะตอม (Atomic orbital) ซงมความนาจะเปนในการพบอเลกตรอนทมรปรางและพลงงานเฉพาะมากถง 90 เปอรเซนต

2.2.3 หลกความไมแนนอนของไฮเซนเบรก (Heisenberg uncertainty principle) หลกความไมแนนอนของไฮเซนเบรก (Heisenberg uncertainty principle) กลาวไววา

เราไมสามารถรถงต าแหนง และความเรวของอนภาคในเวลาเดยวกนไดอยางแมนย า ในการวดหาต าแหนงของสารทมขนาดใหญ สามารถใชเครองมอปกตทอานคาได

ทนท โดยไมมผลตอการเปลยนแปลงสมบตของสารนนมากนก แตถาสารเลกมากๆ จนไมสามารถมองเหนไดดวยตาเปลา เชน อเลกตรอน จ าเปนตองใชวธอน เชน ใชล าแสงในการคนหาต าแหนงของอเลกตรอน เมอผานล าแสงเขาไปพบอเลกตรอน จะเกดการกระจายหรอเปลยนทศทางไปของแสง และเนองจากอเลกตรอนมขนาดเลกมาก แสงทใชตองมความยาวคลนส นหรอมความยาวคลนเทากบขนาดของอเลกตรอน ถาความยาวคลนมากเกนไปจะไมสามารถสงเกตเหนการกระจายแสงได และเนองจากแสงเปนอนภาค คอโฟตอนเคลอนทไป เมอพบอเลกตรอนกเกดการชนกน (Collision) ซงอาจมการแลกเปลยนโมเมนตม ถาโฟตอนมโมเมนตมสงกอาจถายเทใหอเลกตรอนไดมาก ดงนนถาใชแสงทมความยาวคลนสน โอกาสทจะวดต าแหนงของอเลกตรอนอยางเทยงตรงกมมากขน แตการวดโมเมนตมจะผดไปจากคาเดมหรอคาทแทจรงของอเลกตรอนมากขนดวย

ตามหลกความไมแนนอนของไฮเซนเบรกทเกยวกบความไมแนนอนของต าแหนงและความไมแนนอนของโมเมนตม มความสมพนธดงน

xp h เมอ 2h

h = …………… (2.5)

เมอ p คอ ความไมแนนอนของโมเมนตม x

คอ ความไมแนนอนของต าแหนง

h คอ คาคงทของพลงค มคาเทากบ 6.626 × 10– 34 J.s


ภาพ 2.5 หลกความไมแนนอนของไฮเซนเบรก (Mansoori, 2004) ตวอยาง 2.3 อนภาคแอลฟามวล 6.710-27 กโลกรม ถกเรงดวยเครองเรงอนภาคใหเคลอนทดว ยความ เรว 6 .0106 เม ตรต อวน าท ถ าค วาม ไม แ น น อนของก ารว ด ค วาม เร วเปน 0.5106 เมตรตอวนาท ความไมแนนอนของต าแหนงอนภาคเปนเทาใด ก าหนดใหมวลของอนภาคแอลฟาคงตว วธท า

xp h

เมอ 2h

h =

ดงนน

xp2h

พจารณา

p vm= p ))(( 627 100.5106.7 = −

ps

mkg = −21103.35

แทนคา

xp2h

)(

2

21

s

mkg −103.35 x

)(

34

3.142106.626 sJ

−

Momentum distribution Position distribution

p x


x

))(( 21

34

s

mkg

sJ

−

−

103.353.142106.626

x

)( 20

34

s

mkg

sJ

−

−

102.1038106.626

x m14− 103.15 ตอบ

จากหลกการของไฮเซนเบรก ชใหเหนวากลศาสตรควอนตม มขดจ ากดส าหรบความ

แมนย าของการวด ทกครงทท าการวด ยอมมความไมแนนอน (Uncertainty) เกดขน ซงจะมากหรอนอย ในทางกลศาสตรคลาสสกถอวาขนอยกบเครองมอหรออปกรณทใช รวมทงวธหรอกระบวนการของการทดลองนน นอกจากนในทางกลศาสตรคลาสสกจะค านงถงวตถระดบ มหภาคทพบเหนกนในชวตประจ าวนโดยทวไป ซงไมไดใหความส าคญตอความไมแนนอนของการวด เชน การกลาวถงต าแหนงและความเรวหรอโมเมนตมของวตถกอนหนง โดยไมไดบอกคาความไมแนนอนของปรมาณเหลานน และถาระบความไมแนนอนของต าแหนงหรอความเรว กไมไดค านงถงความสมพนธของความไมแนนอนส าหรบปรมาณทงสอง ซงแตกตางจากกลศาสตรควอนตมทใหความส าคญตอความแมนย า และความไมแนนอนของการวดทเกดขน

ทกครงท เราท าการวดยอมมความไมแนนอน (Uncertainty) เกดขน

กลศาสตรคลาสสก ความไมแนนอนมกเกดจาก - เครองมอหรออปกรณทใช - กระบวนการของการทดลองนนเกดขน

กลศาสตรควอนตม เชน ใชล าแสงเปนตวคนหาอเลกตรอน ซงโอกาสทจะวดต าแหนงของอเลกตรอนอยางเทยงตรงนนจะขนกบความยาวคลนแสง


2.3 หลกการทางวทยาศาสตร หลกการทางวทยาศาสตรพนฐานจะท าใหเขาใจนาโนเทคโนโลยเพมมากขน กลาวคอ

ท าใหเขาใจสมบตของวสดทเปลยนแปลงไปเมอมขนาดเลกลงในระดบนาโนได นนคอผลของขนาดระดบนาโนตอสมบตของวสด การทอนภาคมขนาดเลกลงถงระดบนาโน ท าใหบรเวณพนผวมคามากขน การจดเรยงตวของอะตอมหรอโมเลกลทผวไมเปนระเบยบเหมอนกบในเนอของวสด ท าใหมสมบตแตกตางกน และสมบตของวสดทมขนาดเลกแตกตางจากวสดทพบในระดบทใหญกวา ตวอยางเชน สมบตการน าไฟฟา สมบตเชงกล การกระเจงแสง และการจบตวกบแกส เปนตน

2.3.1 หลกการทางแสง วสดทมขนาดเลกลง สดสวนของจ านวนอะตอมทอยบรเวณผวหนาจะเปลยนแปลง

ไป และพนทผวสมผสของวสดจะเพมขน ดงแสดงในภาพ 2.6 ซงการเพมขนของจ านวนอะตอมทบรเวณผวสมผสของวสด จะสงผลใหวสดทมขนาดระดบนาโนเมตรมสมบตทางไฟฟา สมบตทางกายภาพ สมบตทางแมเหลก และสมบตทางแสงแตกตางไปจากวสดทมขนาดใหญอยางสนเชง ท าใหไดเปนวสดทมสมบตตางๆ แตกตางไปจากเดม และพเศษแปลกใหม

ภาพ 2.6 วสดทมขนาดเลกลงพนทผวสมผสของวสดจะเพมขน (Ostrikov, 2008)

1 cm3

Surface = 6 cm2

1 m3/cubic Surface = 60,000 cm2

1/8 cm3/cubic Surface = 12 cm2

Surface = 60,000,000 cm2 1 nm3/cubic


ทองค าแบบกอนปกตมสเหลอง แตถาขนาดของทองค าเลกลงจนกระทงมขนาดอนภาคเลกมากในระดบนาโนเมตร อนภาคของทองค าจะมขนาดเลกกวาความยาวคลนแสงทมาตกกระทบ ท าใหเกดปรากฏการณเชงแสงทเรยกวา เซอรเฟซ พลาสมอน เรโซแนนซ (Surface plasmon resonance) ซงจะสงผลใหอนภาคนาโนของทองค าดดกลนแสงทอยในชวงสเขยว (ความยาวคลนประมาณ 520 นาโนเมตร) ท าใหอนภาคนาโนของทองค าปรากฏเปนสแดงทบทม แทนทจะเปนสเหลองเชนเดยวกบเมอมขนาดกอนใหญ ดงแสดงในภาพ 2.7

ภาพ 2.7 สของอนภาคทองค าทเปลยนแปลงไปตามขนาดของอนภาค (Ostrikov, 2008)

เซอรเฟซ พลาสมอน เรโซแนนซ เปนปรากฏการณทเกยวกบคลนความหนาแนนของประจทเกดจากการสนของอเลกตรอนอสระ ทมลกษณะการสนแบบพรอมเพรยงกน เปนปรากฏการณทเกดขนบรเวณผวรอยตอของโลหะ (Metal) กบสารไดอเลกทรก (Dielectric) เชน ระหวางทองหรอเงน กบอากาศหรอสารละลาย การกระตนใหเกด เรโซแนนซแบบนสามารถท าได โดยใชแสงทมระนาบของทศทางของสนามไฟฟาอยในแนวเดยวกบระนาบของการตกกระทบ โดยใชแสงบรเวณทเกดการสะทอนกบหมด เมอวดความเขมแสงทสะทอนจากผวโลหะจะพบวามคาลดลงเมอเทยบกบความเขมแสงเดม การเกดเซอรเฟซ พลาสมอน- เรโซแนนซ จะขนอยกบดชนหกเหของสารไดอเลกทรก ซงในทนคอของเหลว การเกด เซอรเฟซ พลาสมอน เรโซแนนซ ดงแสดงในภาพ 2.8

30-500 nm

3-30 nm <1 nm


ภาพ 2.8 อธบายการเกด เซอรเฟซ พลาสมอน เรโซแนนซ (สถาบนนวตกรรมและพฒนากระบวนการเรยนร มหาวทยาลยมหดล, 2554)

ดงนนเมอวสดมขนาดอยในระดบนาโนเมตร สมบตอยางหนงทเปลยนไปจากเดม คอชวงความยาวคลนทวสดนาโนสามารถดดกลน โดยชวงความยาวคลนทถกดดกลนของวตถ นาโนจะเปนชวงความยาวคลนทส นลงกวาเดม (คอ มแนวโนมไปสชวงแถบสเปกตรมสน าเงน) และพบวาชวงความยาวคลนท ถกดดกลนนแปรผนตรงกบขนาดของวสดนาโน ตวอยางเชน อนภาคนาโนของสารกงตวน าแคดเมยมเซลไนด (CdSe) จะมชวงสเปกตรมทถกดดกลนทสนลงไปเรอยๆ ตามขนาดรศมของอนภาค เปนตน กลาวคอยงมขนาดเลกมากขนกยงมชวงความยาวคลนของสเปกตรมทถกดดกลนสนลงมากขน ดงแสดงในภาพ 2.9

ภาพ 2.9 อนภาคนาโนของสารกงตวน าแคดเมยมเซลไนดทมสสนทแตกตางกนตามขนาดของอนภาค (สถาบนนวตกรรมและพฒนากระบวนการเรยนร มหาวทยาลยมหดล, 2554)

Flow chamber

Light source Detector

Prism


อนภาคนาโนของเงน สามารถแสดงปรากฏการณเชงแสงในลกษณะเดยวกนนได โดยจะมสเหลองเขมแทนทจะเปนสเงนวาว อยางไรกตามอนภาคนาโนของโลหะสวนใหญจะไมเกดปรากฏการณน เนองจากความถเรโซแนนตซงอยในชวงใกลรงสอลตราไวโอเลตอยนอกสเปกตรมของชวงแสงทสามารถมองเหน และอนภาคนาโนของโลหะเกอบทกชนดไมสามารถคงตวอยในรปอนภาคนาโนไดนานในสภาวะแวดลอมปกต จงไมพบปรากฏการณนในโลหะชนดอนๆ มากนก

ภาพ 2.10 เปรยบเทยบลกษณะการดดกลนแสงของโลหะอลคาไลน ทแตกตางกนตามขนาดของกลมกอน (ก) อะตอมโลหะ (ข) โลหะแบบกอนใหญ และ (ค) อนภาคนาโนของโลหะ (Mansoori, 2004)

อะตอมโลหะ

โลหะแบบกอน

อนภาคนาโนของโลหะ

พลาสมอน

แถบน า

พลงงานชนเฟอรม

การด

ดกลน

การด

ดกลน

การด

ดกลน

อนฟราเรด



อลตราไวโอเลต



วซเบล

วซเบล

วซเบล

ความถ

ความถ

ความถ

(ก)

(ข)

(ค)


2.3.2 หลกการทางกล วสดทมขนาดเลกในระดบนาโนเมตรจะมอตราสวนระหวางพนทผวตอปรมาตรสง

มาก เมอเปรยบเทยบกบวสดชนดเดยวกนทมขนาดใหญกวา ตวอยางเชน อนภาคนาโนของธาตทองค าทมขนาดเสนผานศนยกลาง 2 นาโนเมตร จะมพนทผวของอนภาคสงถง 150 ตารางเมตรตอกรม ซงวตถทมขนาดระดบนาโนเมตรจะมจ านวนอะตอมทอยบรเวณผวหนาสง เปนผลใหเกดปฏกรยาเคมบนพนผวหนาวสดไดงาย และท าใหงายตอการเกดปรากฏการณตางๆ อน เนองมาจากความ เรวตอการเกดปฏ ก รยาทางเคมบ รเวณผวหน าของว ส ด ตวอยางเชน ธาตทองค าทปกตจะเฉอยชาตอการเกดปฏกรยาเคม แตเมออนภาคมขนาดเลกในระดบนาโนเมตร จะมสมบตเปลยนไปเปนตวเรงปฏกรยาเคมทดขน ดงแสดงในภาพ 2.11

ภาพ 2.11 (ก) อนภาคนาโนทองค า (จดสด า) เปนตวเรงปฏกรยาเคมบนพนผวซลกอน (ข) และ (ค) ซ ลกอนเกดการเตบโตเปนเสนลวดนาโนซลกอน (สถาบนนวตกรรมและพฒนากระบวนการเรยนร มหาวทยาลยมหดล, 2554)

ส าห รบวส ดจ าพวกโลหะและเซรามกส ท ม ขนาดเกรน (Grain size) ในระดบ นาโนเมตร จะมความแขงแรงและความทนทานตอการแตกหกสงมากกวาวสดชนดเดยวกน ทมขนาดเกรนในระดบไมโครเมตรหรอในระดบทใหญกวา เชนเดยวกบโลหะทมโครงสรางผลกในระดบนาโนจะมความแขงแรงและความแขงสงกวาโลหะทมขนาดผลกใหญ และม

ก ข ค ซลกอน

อนภาคนาโนทองค า


สมบตในการตานทานกระแสไฟฟาไดมากขนดวย มความจความรอนจ าเพาะมากขน และสามารถขยายตวไดดมากขนกวาเดม ตวอยางเชน โลหะทองแดง (Copper) ทมขนาดเกรนในระดบนาโนเมตรจะมความแขง (Hardness) สงกวาทองแดงปกตมากถง 5 เทา หรออะลมเนยม (Aluminium) ทมอนภาคระดบนาโนเมตรจะท าใหโครงสรางของอะลมเนยมมความเหนยว และแขงแรงมากขนกวาอะลมเนยมในขนาดปกต ดงแสดงในภาพ 2.12

ภาพ 2.12 ขนาดเกรนของโลหะอะลมเนยมทมขนาดเลก (สถาบนนวตกรรมและพฒนากระบวนการเรยนร มหาวทยาลยมหดล, 2554)

วสดทมขนาดเกรนในระดบนาโนเมตรจะมลกษณะพเศษอยางหนง คอ สามารถถกยดหรอท าใหผดรปไดมากขนกวาเดมอยางมาก เชน จาก 100 เปอรเซน ขยายไปจนถง 1000 เปอรเซน มากกวาวสดทมขนาดเกรนใหญ เรยกลกษณะพเศษนวา สภาพพลาสตกพเศษ (Superplastics) โดยบรเวณพนผวของวสดทถกยดหรอท าใหผดรปจะมอณหภมต าลง แตมความเครยดเพมขน โครงสรางของวสดทมขนาดเกรนระดบนาโนเมตรจะสามารถมสภาพเปนพลาสตกพเศษไดเมออยในชวงอณหภมสงประมาณ 400-500 องศาเซลเซยส ตวอยางเชน นกเกล (Nickel) และอะลมเนยมอลลอยด (Aluminium alloy) ทมขนาดเกรนเลกในระดบ นาโนเมตร เปนตน

ภาพ 2.13 แสดงตวอยางสมบตความเปนพลาสตกพเศษของทอนาโนคารบอน (Cabon nanotube) ภายใตอณหภมสงๆ โดยทมความยาวเรมตน 24 นาโนเมตร เสนผานศนยกลาง 12 นาโนเมตร และสามารถมความเครยดทเพมขนได จนกระทงยดยาวไดเรอยๆ จนถง 91

ขนาดเกรน


นาโนเมตร เสนผานศนยกลางลดลงเหลอ 0.8 นาโนเมตร ซงสามารถยดขยายไดมากถง 280 เปอรเซนต

ภาพ 2.13 ลกษณะพลาสตกพเศษของทอนาโนคารบอน (สถาบนนวตกรรมและพฒนากระบวนการเรยนร มหาวทยาลยมหดล, 2554)

2.3.3 หลกการทางไฟฟา เมอโครงสรางของวสดถกท าใหเลกลงจนอยในระดบนาโนเมตร จะสงผลท าใหสมบต

พนฐานทางไฟฟาของวสดนนแตกตางออกไปจากเดม ตวอยางเชน เมอวสดมโครงสรางอยในระดบนาโนเมตร วงจรไฟฟาทเกดขนในโครงสรางจะไมเปนไปตามกฎของโอหม (Ohm's law) ซงกฎของโอหมเกยวของกบกระแสไฟฟา (Current, I) ความตางศกยไฟฟา (Voltage, V) และความตานทานไฟฟา (Resistance, R) แตหวใจส าคญของกฎของโอหมมพนฐานมาจากแนวคดทวา อเลกตรอนไหลผานไปตามสายไฟฟาในลกษณะทเปนกระแส แตในโครงสรางระดบ นาโน อเลกตรอนไมไดเคลอนทโดยไหลเปนกระแส เพราะสายไฟฟาทมขนาดความกวางอยในระดบนาโนเมตร อเลกตรอนจะไหลจากอะตอมหนงไปอกอะตอมหนงในปรมาตรทถกจ ากดของสายไฟฟา ซงท าใหเกดสมบตทางไฟฟาทแตกตางออกไปจากเดม ตวอยางดงแสดงในภาพ 2.14


ภาพ 2.14 ทอนาโนคารบอนทมขนาดเสนผานศนยกลาง 1 นาโนเมตร เกดสมบตทางไฟฟาทแตกตางไปจากเดม ใชส าหรบท าหนาทเปนสารกงตวน าไฟฟาระหวางขวอเลกโทรด (รอฮม ปรามาท, 2547)

สมบตในการเปนตวน า เปนสารกงตวน า หรอเปนฉนวนของวสดทใชเปนโครงสรางทางดานอเลกทรอนกส ขนอยกบองคประกอบของอะตอมทอยภายในวสด และลกษณะการจดเรยงตวของอะตอม โดยทวสดระดบนาโนเมตรทกประเภทจะมมตทางกายภาพอยางนอยหนงมตทถกจ ากดขนาดเอาไว จงท าใหเปนการบบบงคบใหอเลกตรอนในวสดนาโนสามารถเคลอนทไดในปรมาตรทจ ากดเทาน น จงท าใหปรากฏการณทางควอนตมทเปนการจ ากดบรเวณของอเลกตรอนไว (Quantum confinement) ปรากฏออกมาใหเหนอยางชดเจน โดยทปรากฏการณดงกลาวไมเคยเกดขนหรอเกดขนนอยมากในวสดขนาดปกต ขนาดและการจดเรยงตวของอนภาคในโครงสราง มผลตอสภาพการน าไฟฟาของโลหะเชน โลหะทมขนาดใหญจะมแถบการน า (Conduction band) ทเกดจากการจดเรยงระดบชนพลงงานทมาประกอบกนอยางตอเนอง แตเมอโลหะมขนาดอนภาคเลกลงจะท าใหฟงกชนคลน (Wave function) ของอเลกตรอนวงนอกสด เรมถกกกขงอยในบรเวณทจ ากด ซงจะสงผลใหระดบชนพลงงานตางๆ ถกแยกออกเปนชนเดยวๆ อยางชดเจน คลายกบระดบชนพลงงานของอะตอมเดยว จงสงผลใหสมบตทางไฟฟาของโลหะมการเปลยนแปลงระหวางการเปนโลหะกบฉนวน ซงสมบตจะเปนแบบใดขนอยกบขนาดของอนภาค เชน กลมอะตอมโลหะทประกอบตวกนจ านวน 13 อะตอม จะไมมสมบตในการเปนโลหะ คอน าไฟฟาไดนอยลง มความเปน

Nanotube

Drain Source

Silicon gate

Silicon oxide


ฉนวนมากขน แตเมอกลมอะตอมโลหะรวมตวกนมขนาดใหญขน เชน มอะตอมมากกวา 309 อะตอมขนไป จะท าใหกลมอะตอมโลหะนนมสมบตเหมอนกบโลหะขนาดใหญปกต

2.3.4 หลกการทางแมเหลก สมบตทางแมเหลกของวสดขนอยกบโครงสรางของวสด และลกษณะการจดเรยงตว

ของอะตอมของธาตทประกอบกนขนเปนวสด สารทมสภาพเปนแมเหลกเปนผลมาจากการ สปนภายนอก (โมเมนตมเชงมม, Angular momentum) ทเกดจากการเคลอนทรอบนวเคลยสของอเลกตรอน และสปนภายใน ท เกดจากการหมนรอบตวเองของอเลกตรอน โดยทอเลกตรอนจะมการสปนเปนแบบ ขน หรอลงเทาน น จงท าใหอเลกตรอนมสมบตเปนขวแมเหลกค (Magnetic dipole moment) ขนาดเลก โดยสารทมสภาพเปนแมเหลกเกดจากการทอะตอมของสารมจ านวนอเลกตรอนกลมทมสปนขน (Spin up) ไมเทากบกลมทมสปนลง (Spin down) ท าใหคาโมเมนตมเชงมมหรอโมเมนตแมเหลก (Magnetic moment) มคาไมเปนเปนศนย ซงจะเกดขนไดเฉพาะในกรณทอะตอมมจ านวนอเลกตรอนไมเตมชนพลงงานยอยเทานน และเมอสสารและวสดตางๆ มขนาดโครงสรางอยในระดบนาโนเมตร จะมสมบตทางแมเหลกแตกตางออกไปจากวสดขนาดใหญซงเปนผลมาจากสมบตทางควอนตมทเกดขน

ยกตวอยางสมบตทางแม เหลกท เป ลยนไปของอะลมเนยม (Aluminium) เมอมโครงสรางขนาดเลกลงในระดบนาโนเมตร โดยปกตในสภาพขนาดใหญจะไมมสมบตทางแมเหลก แตเมอมขนาดอยในระดบนาโนเมตร พบวากลมอะตอมของอะลมเนยมจ านวน 13 อะตอมทมขนาดประมาณ 1 นาโนเมตร จะมการจดเรยงตวของอะตอม และการจดเรยงตวของอเลกตรอนภายในอะตอมทท าใหเกดสภาพความเปนสารแมเหลกขน

2.4 ระบบชวภาพ มนษย สตว และพช ตางประกอบขนจากธาตบางอยาง มนษยมธาตสงกะส เหลก

วาเนเดยม แมงกานส ทองแดง และวตามนชนดตางๆ ซงมสวนส าคญตอกระบวนการทางชวภาพเฉพาะดาน ในสตว และพชทกชนดมากกวารอยละ 95 ของน าหนก เปนโครงสรางทประกอบขนจากอะตอม 4 ชนด ไดแก ไฮโดรเจน ออกซเจน ไนโตรเจน และคารบอน อะตอมเหลานสามารถสรางพนธะทางเคมในรปแบบทหลากหลาย ส าหรบระบบตางๆ ในรางกาย


มนษย เชน ระบบการหายใจ ระบบยอยอาหาร ระบบควบคมอณหภมของรางกาย ระบบภมคมกนโรค ระบบสรางและซอมแซมสวนทสกหรอ การท างานของระบบเหลานตองอาศยโครงสรางระดบนาโนทมความซบซอนสงมาก โดยเฉพาะอยางยงกระบวนการท างานของระบบประสาทและสมอง

โมเลกลชวภาพมสตระกล สามตระกลแรกมโครงสรางแบบโพลเมอร ไดแกกรดนวคลอก (Nucleic acid) โปรตน และคารโบโฮเดรต ตระกลท ส เปนโมเลกลขนาดจวทท าหนาทพเศษ โมเลกลชวภาพตระกลทหนง คอ กรดนวคลอก แบงเปน 2 ชนด ไดแก ดเอนเอ (Deoxyribonucleic acid, DNA) และอารเอนเอ (Ribonucleic acid, RNA) ท งสองมบทบาทส าคญในการสรางโปรตน ส าหรบในโครงสรางระดบนาโนจะใหความสนใจ กบดเอนเอ มากกวาอารเอนเอ ดเอนเอ เปนโมเลกลขนาดใหญทมลกษณะเฉพาะตว มโครงสรางเปนเสนยาวสองเสนคพนกนในรปแบบบนไดเวยน แตละเสนประกอบดวยนวคลโอไทด (Nucleotide) ตอกนเปนสายยาว นวคลโอไทดประกอบดวยเบสอนทรย (สารประกอบไนโตรเจน) ชนดหนงใน 4 ชนด เบสของแตละนวคลโอไทดจะเชอมกนอยเปนคๆ ในลกษณะของขนบนไดแตละขน เบส 4 ชนด ไดแก อะดนล (Adenine, A) ไทมน (Thymine, T) กรานน (Guanine, G) และ ไซโตซน (Cytosine, C) การจบคขนบนไดของเบสจ ากดเฉพาะค โดย A จะจบคกบ T เทานน และ G จะจบคกบ C เทานน การจ ากดเชนนท าใหคเบสมการเรยงตวเปน AT และ TA กบ GC และ CG เทานน การเรยงล าดบของคเบสจ านวนมหาศาลสลบไปมาบนสายบนไดเวยนนวคลโอไทด เปนรหสพนธกรรมทสลบซบซอนเพอสรางโครงสรางชวภาพ ดเอนเอเปนโมเลกลพอลเมอรทางชวภาพทมลกษณะแตกตางกน 4 ชนด (อารเอนเอกเชนเดยวกน) ดเอนเอทพบในธรรมชาตโดยสวนใหญจะมลกษณะเปนโครงสรางเกลยวค ซงเปนโครงสรางทมความเสถยรทสด โดยเกลยวคของดเอนเอทพบมากทสดในธรรมชาตจะเปนโครงสรางระดบนาโนเมตร ซงมเสนผานศนยกลางประมาณ 2 นาโนเมตร ระยะหางระหวางคเบสอยหางกน 0.34 นาโนเมตร หนงรอบของเกลยวคทมล าดบเบสอย 10 ค จะมระยะทางประมาณ 3.4 นาโนเมตร

โมเลกลชวภาพตระกลทสอง โปรตน เปนองคประกอบทส าคญมากในระบบชวภาพ ทถกใชในการสรางโครงสรางนาโน (Nanostructure) และจกรกลนาโน (Nanomachine) ทมสมบตทหลากหลายมากทสด โปรตนเปนโมเลกลพนฐานทมลกษณะเปนพอลเมอรทซบซอน


สรางขนมาจากการรวมตวของมอนอเมอรโมเลกลของกรดแอลอะมโน (L-amino) ซง มอนอเมอรโมเลกลของกรดแอลอะมโนแตละมอนอเมอรมขนาดประมาณ 0.8 นาโนเมตร โดย มอนอเมอรเหลานกจะถกเชอมตอกนเปนสายยาวดวยพนธะเปปไทด และหลงจากนนจะเกดการมวนตว (Fold) เขาหากนเปนโครงสรางหนงของโปรตนทมความเสถยร ภาพ 2.15 แสดงโมเลกลของกรดแอลอะมโน

ภาพ 2.15 โมเลกลของกรดแอลอะมโน (Fujita et al., 2001)

การสรางโครงสรางของโปรตน เปนการสรางโครงสรางในระดบอะตอมหรอโมเลกล ทอยในชวงระดบนาโนเมตร เรมจากการทแตละมอนอเมอรโมเลกลของกรดอะมโนเชอมตอกนโดยอาศยพนธะเปปไทด ซงเปนพนธะทมความแขงและมความเสถยรสงกวาพนธะอนๆ เนองจากแตละอะตอมของพนธะเปปไทดท าปฏกรยาตอกนดวยพนธะโควาเลนต ซงเปนพนธะทมความแขงแรงมากทสด เนองจากเปนพนธะทมการแบงปนอเลกตรอนกน ท าใหการเชอมตอแบบโพลเมอรของมอนอเมอรโมเลกลกรดอะมโนไดโครงสรางทมความเสถยรสง นอกจากนนยงมการจดตวเอง โดยการมวนตวจากโครงสรางสายตรงเขาเปนโครงสรางทเหมาะสมกบสภาพแวดลอม โดยอาศยพนธะไฮโดรเจนของกลมอะตอมในโครงสราง จากนนจะประกอบ

หมคารบอกซล

เอลฟาคารบอน

หมอะมโน

R


กนเปนโครงสรางคลายทรงกลม และดวยความสามารถในการประกอบตวเองไดของโปรตน ท าใหเกดเปนโครงสรางทเสถยร มความสมมาตร และซบซอนมากขน ซงหากพจารณากระบวนการทงหลายทเกดขน โปรตนจงเปรยบเสมอนผประกอบจกรกลนาโนของธรรมชาต

โมเลกลชวภาพตระกลทสาม คารโบไฮเดรตธรรมชาต โมเลกลนเกดจากการควบแนนของโมเลกลน าตาลจ านวนมากและหลายชนด มความส าคญตอการท างานของเซลล พบในโครงสรางชวภาพหลายชนด แตยงไมมการน ามาใชประโยชนในการสงเคราะหทางนาโนเทคโนโลย

โมเลกลชวภาพตระกลทส โมเลกลขนาดจวทท าหนาทพเศษ ประกอบดวยโมเลกลทมขนาดเลกมาก ไดแก น า ซงมบทบาทส าคญเกยวของกบกระบวนการเกอบทกชนดในทางชวภาพ ออกซเจน เปนแหลงพลงงานทส าคญ คารบอนไดออกไซด เปนวตถดบของพช และ ไนตรกออกไซด ซงประกอบดวยไนโตรเจนและออกซเจน ท าหนาทเปนผน าสารตวทสองในกระบวนการสอสารภายในเซลล 2.5 การตรวจจบโมเลกล

ตรวจจบโมเลกล (Molecular recognition) หรอความสามารถของโมเลกลในการดงดดและยดตดกบโมเลกลตวอนๆ มลกษณะทเฉพาะเจาะจง กระบวนการนชวยอธบายการเกดอาการแพสงของบางสงบางอยางของรางกาย โดยโมเลกลขนาดใหญในรางกายอาจเกดการยดตดกบโมเลกลแปลกปลอมจากภายนอกทเรยกวาสารภมแพ (Allergen) ซงสามารถประยกตใชระบบตรวจจบโมเลกลกบกลไกในระดบนาโนได เชน ระบบปราสาทสมผสในดานกลนของมนษยตองพงพาระบบตรวจจบโมเลกลเปนหลก โดยมกลไกลตรวจจบโมเลกลอยภายในโพรงจมก เปนตน



1. บทเรยนเคมออนไลน. 2554. มวลโมเลกล. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.pong learning.com/?p=150 (5 พฤศจกายน 2554)

2. พชร เจรญเดช. 2546. นาโนเทคโนโลย (Nanotechnology). [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://library.uru.ac.th/webdb/images/NanoArticle1.htm (5 พฤศจกายน 2554)

3. ฟสกสราชมงคล . 2554. ไขปรศนา…นาโนเทคโนโลย. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.neutron.rmutphysics.com/science news/index.php?option=com_content &task=view&id=470&Itemid=0&limit=1&limitstart=7 (5 พฤศจกายน 2554)

4. รอฮม ปรามาท. 2547. นาโนเทคโนโลย นวตกรรมจวปฏวตโลก. กรงเทพฯ: มตชน. 208 น.

5. โรงเรยนมหดลวทยานสร. 2553. ความรเบองตนเกยวกบนาโนเทคโนโลย บทสรปส าหรบผบรหาร. [ระบบออนไลน ]. แหลงทมา http://www.mwit.ac.th/~ponchai/Nano/ basicnano.doc (5 พฤศจกายน 2554)

6. สถาบนนวตกรรมและพฒนากระบวนการเรยนร มหาวทยาลยมหดล. 2554. ท าความรจกกบนาโนเทคโนโลย. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/nano/Page/Unit1-6.html (5 พฤศจกายน 2554)

7. สถาบนนวตกรรมและพฒนากระบวนการเรยนร มหาวทยาลยมหดล. 2554. ประวตวทยาศาสตรระดบนาโน. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.il.mahidol.ac.th /e-media/nano/Page/Unit1-6.html (5 พฤศจกายน 2554)

8. สถาบนนวตกรรมและพฒนากระบวนการเรยนร มหาวทยาลยมหดล. 2554. มหศจรรยนาโนเทคโนโลย. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.atom.rmutphysics.com/ charud/scibook/nanotech/Page/main.html (5 พฤศจกายน 2554)

9. Dahl, J.E., Liu, S.G., Carlson, R.M.K. 2003. Isolation and structure of higher diamondoids, nanometer- sized diamond molecules. Science. 299: 96-99.

http://library.uru.ac.th/webdb/images/NanoArticle1.htm

http://www.neutron.rmutphysics.com/science%20news/index.php?option=com_content%20&task=view&id=470&Itemid=0&limit=1&limitstart=7

http://www.neutron.rmutphysics.com/science%20news/index.php?option=com_content%20&task=view&id=470&Itemid=0&limit=1&limitstart=7

http://www.mwit.ac.th/~ponchai/Nano/%20basicnano.doc

http://www.mwit.ac.th/~ponchai/Nano/%20basicnano.doc

http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/nano/Page/Unit1-6.html



10. Eiger, D.M., Schweizer, E.K. 1990. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope. Nature. 344: 524-526.

11. Fujita, H., Toshiyoshi, H., Hashigushi, G., Wada, Yasuo. 2001. Micromachined tools for nano technology, RIKEN Review. 36: 12-15.

12. Mansoori, G.A. 2004. Principles of Nanotechnology. 351 page 13. Ostrikov, K. 2008. Plasma Nanoscience. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 565

page.



2.1 จงยกตวอยางสงตางๆ ทอยในระดบนาโนมอะไรบาง และตองเลกเทาใดจงจะเรยกวาเปนโครงสรางนาโนได

2.2 จะเกดอะไรขนเมอวตถมขนาดโครงสรางทเลกลงมากๆ จนถงระดบนาโนเมตร (หรออาจเลกลงมากกวานน)

2.3 โมเลกลชวภาพและโครงสรางทไดจากการสงเคราะหทมกระบวนการสรางโครงสรางตามแนวทางของนาโนเทคโนโลย ไดแกโมเลกลใดบาง

2.4 จงอธบายหลกการพนฐานของนาโนเทคโนโลย และแนวคดในการสรางผลตภณฑและสงของระดบนาโน

2.5 จงอธบายความแตกตางระหวางกลศาสตรคลาสสกและกลศาสตรควอนตม และอธบายดวยวามความส าคญตอนาโนเทคโนโลยอยางไรบาง

2.6 จงยกตวอยางหลกการทางวทยาศาสตรทเกยวของกบวสดนาโน พรอมทงอธบายวาหลกการตางๆ เหลานนเกยวของกบวสดนาโนอยางไร

2.7 กลาวกนวาโมเลกลชวภาพตระกลโปรตน เปรยบเสมอนผประกอบจกรกลนาโนทางธรรมชาตโดยแทจรง จงชวยอธบายเพมเตมใหเขาใจมากขน

2.8 จงอธบายความแตกตางของการเคลอนทของอเลกตรอนการน าในกรณอนภาคทมขนาดเลก และขนาดใหญ

2.9 อเลกตรอนตวหนงวงดวยความเรว 300 เมตรตอวนาท วดความแมนย าได 0.01 เปอรเซนต จงหาความไมแนนอนในการบอกต าแหนงของอเลกตรอนตวน (มวลของอเลกตรอนเทากบ 9.110-31 กโลกรม) (3.910-7 เมตร)

บทท 3 นาโนเทคโนโลยจากธรรมชาต:

3.1 ใบบว

3.1.1 พนผวใบบว 3.1.2 แรงตงผวกบหยดน ำบนใบบว 3.1.3 นวตกรรมจำกหยดน ำบนใบบว

3.2 เทำตกแก 3.3 ปกผเสอบำงชนด 3.4 ใยแมงมม 3.5 เปลอกหอยเปำฮอ 3.6 ขำจงโจน ำ

46 บทท 3 : นำโนเทคโนโลยจำกธรรมชำต

โครงสรำงนำโนเมตรทำงธรรมชำตหลำยชนดมโครงสรำงทหนำทง และท ำใหนกวทยำศำสตรพยำยำมหำค ำตอบถงควำมพ เศษ และควำมนำทงน น และเนองจำกควำมกำวหนำทำงวทยำศำสตรและเทคโนโลย ทปจจบนสำมำรถศกษำไดถงขนำดเลกในระดบนำโนเมตร (นำโนเทคโนโลย) ท ำใหสำมำรถหำค ำตอบทมควำมซบซอนทำงธรรมชำตไดมำกยงขน นอกจำกนจำกกำรศกษำโครงสรำงระดบนำโนเมตรทำงธรรมชำตทพบในสงมชวต สำมำรถเปนแนวทำงใหนกวทยำศำสตรสรำงสงของหรออปกรณเลยนแบบธรรมชำต ทมควำมสำมำรถพเศษมำกกวำอปกรณทใชกนอยในปจจบน

3.1 ใบบว 3.1.1 พนผวใบบว พนผวของใบบวมลกษณะคลำยกบปมขนำดเลกจ ำนวนมำกเรยงตวกระจำยอยำงเปน

ระเบยบ ดงแสดงในภำพ 3.1 โดยทปมขนำดเลกเหลำนมเสนขนเลกๆ ทมขนำดในชวงระดบ นำโนเมตร และมสำรทมสมบตคลำยขผงเคลอบอยภำยนอก จงท ำใหน ำทตกลงมำบนใบบวมพนทสมผสนอยมำก และไมสำมำรถซมผำนหรอกระจำยตวแผขยำยออกในแนวกวำงบนใบบวได ดงนนน ำจงมวนตวเปนหยดน ำขนำดเลกกลงไปรวมอยทบรเวณต ำสดบนใบบว ดงแสดงในภำพ 3.2 สงสกปรกตำงๆ ทงฝ น แบคทเรย และเชอรำ จงไมสำมำรถเกำะตดอยบนใบบวได เพรำะเมอเวลำทมน ำตกลงมำ สงสกปรกทเกำะอยบนใบบวกจะหลดตดไปกบหยดน ำ ท ำใหใบบวสะอำดอยตลอดเวลำ

ภาพ 3.1 ลกษณะของพนผวใบบวทเปนปม (พชร, 2552)

10 m 10 nm

บทท 3 : นำโนเทคโนโลยจำกธรรมชำต 47

ภาพ 3.2 น ำกลงบนใบบว

3.1.2 แรงตงผวกบหยดน าบนใบบว แรงตงผว (Surface force) เปนแรงทดงผวของของเหลวเขำมำภำยในเพอท ำใหพนท

ของของเหลวเหลอนอยทสด ดงแสดงในภำพ 3.3 ของเหลวประกอบดวยอนภำคจ ำนวนมำก และอนภำคเหลำนนมแรงยดเหนยวซงกนและกน โมเลกลของของเหลวทอยตรงกลำงจะถกลอมรอบดวยโมเลกลขำงเคยงและดงดดกนทกทศทำง แตโมเลกลทผวหนำจะดงดดกบโมเลกลขำงเคยงทอยดำนขำงและดำนลำงเทำน น ผลรวมของแรงจงมทศทำงลงสดำนลำงเทำน น เรยกวำ แรงดงผว (Tension forces)

ภาพ 3.3 แนวแรงทดงผวของเหลวเขำมำภำยใน (Bhushan, 2007)

Surface tension

Surface tension T


ประเภทของแรงตงผว แบงออกเปน - แรงเชอมแนน (Cohesive force) เปนแรงดงดดระหวำงโมเลกลชนดเดยวกน เชน น ำกบน ำ แอลกอฮอลกบแอลกอฮอล เปนตน

- แรงยดตด (Adhesive force) เปนแรงตงผวทเกดจำกแรงดงดดระหวำงโมเลกลตำงชนดกนเชน น ำกบแกว น ำกบใบบว เปนตน

สภำพกำรเปยกน ำ หรอไมเปยกน ำของสงตำงๆ ขนอยกบแรงยดตด และแรงเชอมแนน ดงแสดงในภำพ 3.4 ซงแบงออกไดเปนสองลกษณะ ดงนคอ

- ถำแรงเชอมแนนมำกกวำแรงยดตด แสดงวำสำรจบตวกนเองไดดกวำจบกบวสด ดงนนสำรจะไมเปยกน ำ กลำวคอ ถำหยดน ำลงบนผวทเรยบมน เชน พลำสตกหรอวสดทเคลอบเงำบำงชนด หยดน ำจะมลกษณะเปนรปทรงกลมเกำะทผววสดนน เพรำะวำแรงยดเหนยวระหวำงโมเลกลของน ำมคำมำกกวำแรงยดเหนยวระหวำงโมเลกลของน ำกบวสด - ถำแรงยดตดมำกกวำแรงเชอมแนน แสดงวำสำรจบกบวสดดกวำจบตวกนเอง ดงนนสำรจะเปยกน ำ กลำวคอ เมอหยดน ำลงบนแผนไมหรอกระดำษ แลวสงเกตไดวำแผนไมหรอกระดำษนนเปยก อธบำยไดวำแรงยดเหนยวระหวำงโมเลกลของน ำมคำนอยกวำแรงยดเหนยวระหวำงโมเลกลของน ำกบไมหรอกระดำษ ท ำใหน ำไมสำมำรถรวมตวอยในลกษณะทเปนหยดได จงแผกระจำยออกไป

ภาพ 3.4 ควำมโคงของผวของเหลว (บญรอด, 2552)

แรงยดตด > แรงเชอมแนน แรงเชอมแนน > แรงยดตด


3.1.3 ปรากฏการณน ากลงบนใบบว (Lotus effect) ปรำกฏกำรณน ำกลงบนใบบว (Lotus effect) เกดขนจำกแรงระหวำงหยดน ำกบพนผว

รปรำงของหยดน ำจะขนอยกบพนผวทรองรบ ซงแรงทเกยวของม อย 3 แรงคอ - แรงตงผวระหวำงพนผว กบ หยดน ำ (SL) - แรงตงผวระหวำงพนผว กบ อำกำศ (SV) - แรงตงผวระหวำงหยดน ำ กบ อำกำศ (LV)

กำรทน ำอยบนพนผวใดๆ สำมำรถใชสมกำรของยง (Young’s equation) ดงแสดงในสมกำร 3.1 ในกำรอธบำยหยดน ำทอยบนพนผวของแขงได

SL - SV + LV 0cos =

…………… (3.1)

เมอ คอ มมสมผส (Contact angle) ทเกดขนระหวำงพนผวของแขง หยดน ำ และอำกำศรอบๆ ดงแสดงในภำพ 3.5

ภาพ 3.5 มมสมผสทเกดขนระหวำงพนผวของแขง หยดน ำ และอำกำศรอบๆ (บญรอด, 2552)

Gas

Liquid

Solid

SV SL

LV


ภาพ 3.6 กำรเปยกผวของหยดน ำบนพนผวของแขง แสดงถงควำมชอบน ำทเพมขน (บญรอด, 2552)

มมสมผสระหวำงหยดน ำกบพนผวมผลตอแรงทงสำม ถำมมสมผสระหวำงหยดน ำกบพนผวเขำใกล 180 องศำ หยดน ำจะมลกษณะกลม ไมสำมำรถกระจำยตวออกได จำกควำมรพนฐำนเกยวกบมมสมผส (Contact angle, ) ดงแสดงในภำพ 3.6 เมอมมสมผสนอยกวำ 90 องศำ จะท ำใหน ำแผกระจำยเปยกทวพนผว (Hydrophilic) เมอมมสมผสมำกกวำ 90 องศำ น ำจะคงอยเปนหยดไมเปยกพนผว (Hydrophobic) แตจะกลงพำสงสกปรกออกไป เปนกำรท ำควำมสะอำดตวเอง นอกจำกนผวดำนบนของใบบวยงเคลอบดวยสำรทมลกษณะคลำยขผ ง ซงมสมบตเกลยดน ำ (Hydrophobic) ท ำใหน ำไมกระจำยตวออก

จำกสมบตท งสองประกำรนสงผลใหใบบวแสดงสมบตเปน Super hydrophobic surface หำกมฝ นผงและสงสกปรกตำงๆ ตดอยทใบบวเมอหยดน ำตกลงมำ หยดน ำจะกลงพำใหสงสกปรกตดไปกบหยดน ำ เนองจำกแรงยดเหนยวระหวำงหยดน ำกบสงสกปรกมคำสงกวำแรงยดเหนยวระหวำงสงสกปรกกบใบบว จงท ำใหใบบวสะอำดอยเสมอ (Self-cleaning surface) นกวทยำศำสตรจงไดน ำหลกกำรของน ำกลงบนใบบว (Lotus effect) มำใชในกำรสงเครำะหวสดชนดใหมเลยนแบบคณลกษณะของใบบว หรอกำรน ำไปประยกตใชเปนสทำบำนทไมเปยกน ำ และสำมำรถท ำควำมสะอำดตวเองไดกำรพฒนำพนผวทสะอำดไดดวยตวเองสำมำรถท ำไดหลำยวธเชน กำรเคลอบผวดวยสำรบำงชนดหรอกำรปรบแตงโครงสรำงขนำดเลกใหเหมำะสม

พนผว 1 พนผว 2


ตวอยาง 3.1 น ำหยดลงบนวตถชนหนง สงเกตจำกหยดน ำพบวำ แรงตงผวระหวำงพนผววตถกบหยดน ำเทำกบ 90 นวตน แรงตงผวระหวำงพนผววตถกบอำกำศเทำกบ 180 นวตน และแรงตงผวระหวำงหยดน ำกบอำกำศเทำกบ 120 นวตน จงหำมมสมผสระหวำงของแขงและหยดน ำเปนเทำใด และวตถนเปยกน ำหรอไม วธท า

SL - SV + LV 0cos =

0cos =+− 12018090 0cos =+− 12090

90120 =cos

12090

=cos

0.75=cos 0.751cos−=

41.41= องศำ มมสมผสระหวำงของแขงและหยดน ำเปน 41.41 องศำ ซงนอยกวำ 90 องศำ

ดงนนวตถนจงเปยกน ำ ตอบ

3.1.4 นวตกรรมจากหยดน าบนใบบว สทำบำน สทำบำนทมสมบตเกลยดน ำ เนองจำกมกำรผสมสำรทมสมบตเกลยดน ำลง

ไปเพอชวยปองกนครำบสกปรก เพรำะวำน ำทกลงไปมำโดยไมเปยกพนผวจะเปนตวชวยในกำรน ำพำสงสกปรกออกไปโดยไมตองเปลองแรงขดในกำรท ำควำมสะอำด

เสอผำทกนน ำ คอ เสอผำทผลตจำกเสนใยทเคลอบดวยสำรทเกลยดน ำ ท ำใหน ำและของเหลวตำงๆ ไมซมลงบนเสอผำทสวมใส ท ำใหเสอผำสะอำดอยไดนำน

ฟลมกนน ำ มสมบตโปรงแสง และมอำยกำรใชงำนยำวนำน สำมำรถท ำควำมสะอำดตวเองไดจำกกำรเคลอบสำรทมสมบตท ำควำมสะอำดตนเองได


วสดเคลอบผว วสดเคลอบผวเพอปองกนกำรสกกรอนเปนวสดเคลอบผวทมสมบตไมชอบน ำ (Ultrahydrophobic) ซงสำมำรถเกดพนธะโควำเลนต (อธบำยไวในบทท 2) กบวสดทตองกำรเคลอบได เพอปองกนกำรสกกรอน วสดเคลอบผวนจะชวยปองกนพนผวของโลหะดำนนอก เชน อะลมนมอลลอยด ทใชเปนสวนประกอบของเครองบน ไมใหสกกรอนเมอเจอกบสภำพอำกำศดำนนอก เมอน ำสมผสกบผวดำนนอกของเครองบน หยดน ำจะมวนตวเปนกอนกลมแลวกลงออกไป นอกจำกนยงทนตอกำรสกกรอนจำกละอองน ำเกลอเปนเวลำนำนถง 1,100 ชวโมงได และทนไดแมวำจะอยในอณหภมสงถง 700 องศำเซลเซยส อยำงไรกตำมสำรเคลอบนมขอเสย คอ ไมสำมำรถปองกนกำรเกดน ำแขงเกำะทพนผวได

3.2 เทาตกแก เทำท ง 4 ของตกแกมโครงสรำงขนำดเลกระดบนำโนเมตร ซงมลกษณะเปนชนๆ

มองดเหมอนเกลด เรยกชนเหลำนนวำ ลำเมเล (Lamellae) ดงแสดงในภำพ 3.7 แตละลำเมเลเมอสองดดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอน จะพบเสนขนเลกๆ จ ำนวนมำกมำยนบลำนเสนเรยกวำ ซเต (Setae) แตละซเตจะมบรเวณปลำยซงแตกแขนงออกเปนเสนขนเลกๆ อกจ ำนวนนบรอยเรยกวำ สปำตเล (Spatulae) ซงมขนำดเลกมำกประมำณ 200 นำโนเมตร

ภาพ 3.7 เสนขนเลกบรเวณปลำยนวของเทำตกแก (เวฬรย, 2550)


กำรทตกแกสำมำรถเกำะตดวสดตำงๆ ทงวสดทรำบเรยบ หรอขรขระ ในแนวนอน หรอแนวตง แมกระทงกลบหว ทงยงคงเกำะตดไดแมแตอยในน ำหรอในสภำวะสญญำกำศ เปนเพรำะแรงดงดดของขนเสนเลกๆ จ ำนวนมหำศำล โดยแรงดงดดของซเตหนงเสนจำกเทำตกแกสำมำรถยกมดทมน ำหนก 20 มลลกรมไดหนงตว ถำมซเตจ ำนวนหนงลำนเสน สำมำรถยกเดกทมน ำหนก 20 กโลกรมไดหนงคน นอกจำกนซเตจ ำนวนหนงลำนเสน สำมำรถบรรจลงบนพนทเทำกบเหรยญ 50 สตำงค ไดอยำงพอด แรงดงดดทงหมดของสปำตเลจ ำนวนพนลำนเสนมำกกวำแรงทตกแกตองกำรในกำรไตบนเพดำนถงพนเทำ ซงแรงดงดดของซเตรวมจ ำนวนสองลำนเสนจำกเทำทงสของตกแกมคำประมำณ 40 กโลกรม แตน ำหนกของตกแกโดยเฉลยประมำณ 50 ถง 150 กรม เทำนน

เนองจำกแรงดงดดทเกดขนมคำมำกกวำน ำหนกตวหลำยเทำ ตกแกจงสำมำรถเกำะตดเพดำนไดแมวำจะใชนวยดเพดำนเพยงแคนวเดยว ในทำงตรงกนขำมตกแกดงเทำออกจำกวสดตำงๆ โดยจะคอยๆ ดงเทำออกคลำยกบกำรดงเทปกำว กำรดงเทำออกของตกแกใหหลดเกดจำกกำรเพมมมสมผสระหวำงขนซเตกบพนผวทเกำะ โดยตกแกจะยกเทำขนทละนดโดยกำรงอเทำ ซงจะสงผลตอมมและกำรกดทถกตอง ถำหำกวำมมสมผสระหวำงซเตกบพนเพมขนเปน 30 องศำ จะท ำใหเกดกำรหลดออกของซเตทนท ขนำดนำโนเมตรของเสนขน หรอสปำตเลทแตละปลำยของซเต จะมแรงดงดดทเรยกวำ แรงแวนเดอรวำลส (Van der Waals) ซงเกดขนระหวำงแตละปลำยสปำตเลกบผนง แมแรงแวนเดอรวำลสจะเปนแรงดงดดทำงไฟฟำ (อธบำยไวในบทท 2) ทมคำนอยเมอเทยบกบแรงดงดดอนๆ แตเนองจำกสปำตเลจ ำนวนมำก ท ำใหเกดแรงดงดดทเหนยวแนน

จำกกำรศกษำโครงสรำงของเทำตกแก นกวทยำศำสตรสำมำรถสรำงเสนขนทมลกษณะคลำยกบสปำตเลทเทำตกแก เรยกวำ แถบยดตกแก (Gecko tape) เสนขนขนำดเลกทสงเครำะหขนสำมำรถน ำไปประยกตใชงำนไดหลำยดำน เชน กำรผลตเทปทมควำมเหนยวมำกใหแกนกบนอวกำศเพอน ำไปใชในสภำวะสญญำกำศ เทปตดแผลทใชในกำรผำตด หนยนตทสำมำรถไตขนลงในแนวดงและวงบนเพดำนได เปนตน


3.3 ปกผเสอบางชนด ผเสอ (Polyommatus sp.) สำมำรถดงดดเพศตรงขำมหรอหลบหนศตรได โดยกำร

เปลยนสปก เชน จำกสน ำเงนไปเปนสน ำตำล เมอมแสงมำตกกระทบบนปกผเสอชนดนจะเกดกำรหกเหและกำรสะทอน โดยถำมมทแสงตกกระทบมควำมแตกตำงกนเพยงเลกนอย สทปรำกฏบนปกผเสอกจะแตกตำงกน ยกตวอยำงเชน ถำแสงแดดมำตกกระทบกบโครงสรำงทอยในปกผเสอในมมใดมมหนง จะสะทอนแสงสน ำเงนออกมำ แตในขณะเดยวกนกดดซบแสงสอนๆ ไวทงหมดท ำใหปกผเสอมสน ำเงน ดงแสดงในภำพ 3.8 แสดงถงสสนบนปกของผเสอ

ภาพ 3.8 ผลกโฟโตนกสบนปกผเสอ และกำรเปลยนสบนปกผเสอ (Bhushan, B. 2007.)

ภาพ 3.9 ภำพ SEM แสดงลกษณะผลกโฟโตนกสบนปกผเสอ (Bhushan, B. 2007.)


เนองจำกปกผเสอชนดนมรพรนทมขนำดนำโนเมตรจ ำนวนมำกเรยงตวกนอยำงเปนระเบยบ ดงแสดงในภำพ 3.9 ท ำหนำทเปนเสมอนเปนผลกโฟโตนกสในธรรมชำต นอกจำกนกำรเปลยนสของปกผเสอชนดนยงสำมำรถเปลยนแปลงไปตำมอณหภมได จำกกำรคนพบนท ำใหสำมำรถน ำไปประยกตใชในกำรสรำงผลกโฟโตนกสสงเครำะหทยดหยนไดด และเปลยนสมบตไปตำมอณหภมทเปลยนไป ซงสำมำรถน ำไปใชผลตเสอผำปองกนควำมรอนทใชในทะเลทรำยหรอหวงอวกำศ

3.4 ใยแมงมม

แมงมมมตอมพเศษทสำมำรถหลงโปรตนทละลำยในน ำได เรยกวำ ไฟโบรอน (Fibroin) เมอแมงมมหลงโปรตนชนดนออกมำจำกตอม โปรตนจะเปลยนสถำนะจำกของเหลวไปเปนของแขง หลงจำกนนแมงมมกจะใชขำในกำรถกทอโปรตนเหลำนเปนเสนใยทมขนำดใหญขน ซงกคอใยแมงมม ใยแมงมมเปนเสนใยทมควำมแขงแรงและเหนยวมำก ใยแมงมมสำมำรถหยดแมลงทบนดวยควำมเรวสงไดโดยทใยแมงมมไมขำด

ปจจบนสำมำรถสรำงใยแมงมมเลยนแบบแมงมมได โดยกำรตดตอยนทควบคมกำรสรำงโปรตนไฟโบรอนจำกแมงมม แลวน ำไปใสไวในโครโมโซมของแพะ เพอใหนมแพะมโปรตนใยแมงมม แลวแยกโปรตนนนออกมำปนทอเปนเสนใย เพอใชในกำรผลตเสอเกรำะกนกระสนทแขงแรง แตมน ำหนกเบำ โดยเสนใยทสรำงขนนมควำมแขงแรงมำกกวำเหลกถงหำเทำเมอมน ำหนกเทำกน นอกจำกนยงสำมำรถน ำใยแมงมมไปใชเปนเสนใยผำรกษำแผลสดได เปนตน

3.5 เปลอกหอยเปาฮอ เปลอกหอยเปำฮอมแคลเซยมคำรบอเนต (CaCO3) เปนองคประกอบ มลกษณะมนวำว

และมควำมแขงแรงสงมำก ท งนเนองจำกกำรจดเรยงตวในระดบโมเลกลของแคลเซยมคำรบอเนตของเปลอกหอยเปำฮอ มลกษณะคลำยเปนก ำแพงอฐกอทเรยงตวกนอยำงเปนระเบยบ โดยทกอน อฐขนำดนำโนแตละกอนจะเชอมตดกนดวยกำวท เปนโปรตน โพลแซคคำไรด จำกโครงสรำงทจดเรยงกนอยำงเปนระเบยบ ท ำใหเปลอกหอยเปำฮอทนทำน


ตอแรงกระแทกมำก เมอเปรยบเทยบเปลอกหอยเปำฮอกบชอลคเขยนกระดำน พบวำมลกษณะทำงกำยภำพและสมบตทำงเคมแตกตำงกน โดยชอลคจะเปรำะ หกงำย แตเปลอกหอยมควำมแขงแรงสงมำก

3.6 ขาจงโจน า จงโจน ำ (Water strider) สำมำรถแบกน ำหนกไดมำกกวำน ำหนกตวถงสบหำเทำโดย

ไมจมลงในน ำ

ภาพ 3.10 จงโจน ำ (Bhushan, B. 2007.)

ทงนเนองจำกกำรท ำงำนรวมกนระหวำงขำของจงโจน ำกบแรงตงผวของน ำ ขำทงสของจงโจน ำมควำมยำวมำกกวำล ำตวหลำยเทำ ชวยใหเกดกำรกระจำยน ำหนก นอกจำกนขำของจงโจน ำยงปกคลมไปดวยเสนขนขนำดเลกๆ ทเคลอบดวยสำรทมสมบตเกลยดน ำเชนเดยวกบแวกซ ท ำใหโมเลกลของน ำหนออกจำกเสนขน ท ำใหเกดลกษณะเปนแองบมบนผวน ำ และเสนขนจะวำงอยบนแองบมนนไมจมลงไป ในทำงกลบกนถำขนมลกษณะชอบน ำ โมเลกลของน ำจะเขำไปเกำะกบขนท ำใหเกดกำรจมน ำ ขนขนำดเลกทขำจงโจน ำ เรยกวำ ไมโครซเต (Microsetea) ซงจะซอนกนอยหลำยชน มขนำดเสนผำนศนยกลำงนอยกวำ 300 นำโนเมตร อำกำศจะถกกกไวในบรเวณระหวำงไมโครซเต และชองวำงเลกๆ ระดบนำโนเมตร ของไมโครซเตแตละเสน กลำยเปนฟลมอำกำศบำงๆ ปองกนไมใหจมน ำ และชวยใหเคลอนท


บนผวน ำไดอยำงรวดเรว จำกหลกกำรนท ำใหมกำรสรำงหนยนตเลยนแบบจงโจน ำทสำมำรถลอยบนผวน ำและเคลอนทบนผวน ำได แตยงไมสำมำรถเคลอนทไดรวดเรวเทยบเทำกบจงโจน ำ หนยนตจงโจน ำทปลำยขำทงหกขำงมขนจ ำนวนมำกทไมชอบน ำซงเลยนแบบจงโจน ำในธรรมชำต ขนเลกๆ ทไมชอบน ำนมพนผวจ ำนวนมำกทจะเกดแรงผลกขนำดนำโนระหวำงขนกบน ำ ซงแรงเลกๆ เหลำนเมอสะสมรวมกนเพยงพอ ท ำใหสำมำรถยกตวแมลงขนเหนอผวน ำได

http://nanolab.me.cmu.edu/



1. ณฐพนธ ศภกำ. 2550. วสดโครงสรางนาโน / อนภาคนาโน / การละลาย. [ระบบออนไลน]. แห ล ง ท ม ำ http://www.stkc.go.th/taxonomy/term/144?page=4 (10 พ ฤศ จก ำยน 2554)

2. บญรอด วงษสวำท. 2552. แรงเชอมแนนและแรงยดตด . ). [ระบบออนไลน]. แหลงทมำ http://www.promma.ac.th/main/chemistry/solid_liquid_gas/Surface_tension.htm (10 พฤศจกำยน 2554)

3. พชร ลมสวรรณ. 2552. นาโนกบชวตประจ าวน (ตอนท2) ตอนใบบว. [ระบบออนไลน]. แห ล ง ท ม ำ http://www.sahavicha.com/?name=knowledge&file=readknowledge& id=503 (10 พฤศจกำยน 2554)

4. ภทร สขแสน. 2554. พนผวอจฉรยะดวยนำโนเทคโนโลย. วทยาศาสตรบรพา. 16 (1): 124-130

5. โรงเรยนพรหมำนสรณจงหวดเพชรบร. 2553. ความตงผว. [ระบบออนไลน]. แหลงทมำ http://www.promma.ac.th/main/chemistry/solid_liquid_gas/Surface_tension.htm (10 พฤศจกำยน 2554)

6. วชำกำรดอทคอม. วสดเคลอบผวเครองบนปองกนการสกกรอน. 2551. [ระบบออนไลน]. แหลงทมำ http://www.vcharkarn.com/vnews/136518 (10 พฤศจกำยน 2554)

7. เวฬรย ทองค ำ. 2550. นาโนในธรรมชาตตอน ตนตกแกแสนหนบ. [ระบบออนไลน]. แหลงทมำ http://www.oknation.net/blog/limjira/2007/07/31/entry-6 (10 พฤศจกำยน 2554)

8. ศนยเทคโนโลยอเลกทรอนกสและคอมพวเตอรแหงชำต. 2547. ปรากฏการณน ากลงบนใบบว (Lotus effect). [ระบบออนไลน]. แหลงทมำ http://www.neutron.rmutphysics .com/news/index.php?option=com_content&task=view&id=1933&Itemid=3 (10 พฤศจกำยน 2554)

http://www.stkc.go.th/taxonomy/term/144?page=4

http://www.promma.ac.th/main/chemistry/solid_liquid_gas/Surface_tension.htm

http://www.sahavicha.com/?name=knowledge&file=readknowledge&%20id=503

http://www.sahavicha.com/?name=knowledge&file=readknowledge&%20id=503

http://www.promma.ac.th/main/chemistry/solid_liquid_gas/Surface_tension.htm

http://www.oknation.net/blog/limjira/2007/07/31/entry-6

http://www.oknation.net/blog/limjira/2007/07/31/entry-6


9. สถำบนนวตกรรมและและพฒนำกำรเรยนร มหำวทยำลยมหดล . ท าความรจกกบนาโนเทคโนโลยในธรรมชาต. [ระบบออนไลน]. แหลงทมำ http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/nano/Page/Unit2-1.html (10 พฤศจกำยน 2554)

10. ส ำนกงำนพฒนำวทยำศำสตรและ เทคโนโลยแหงชำต. สอง “นาโนเทคโนโลย” ในธรรมชาต . [ระบบออนไลน ]. แหลงทมำ http://nstda.or.th/rural/public/100%20 articles-stkc/97.pdf (10 พฤศจกำยน 2554)

11. ส ำนกงำนพฒนำวทยำศำสตรแหงชำต . เสอนาโน . [ระบบออนไลน ]. แหลงทมำ http://www.myfirstbrain.com/student_view.aspx?ID=75430 (10 พฤศจกำยน 2554)

12. Bhushan, B. 2007. Springer Handbook of Nanotechnology. Springer Berlin Heidelberg New York. 1,917 page.

13. Lai, S. 2003. Mimicking nature: Physical basis and artifiical synthesis of the Lotus Effect. [Online]. Available http://home.wanadoo.nl/scslai/lotus.pdf (10 November 2011)



http://nstda.or.th/rural/public/100%20%20articles-stkc/97.pdf

http://nstda.or.th/rural/public/100%20%20articles-stkc/97.pdf

http://www.myfirstbrain.com/student_view.aspx?ID=75430

http://home.wanadoo.nl/scslai/lotus.pdf



3.1 โครงสรำงนำโนทมอยในธรรมชำต และทไดจำกกำรสงเครำะห มควำมเหมอนหรอแตกตำงกนอยำงไรบำง

3.2 โครงสรำงนำโนในระบบธรรมชำตเกดขนมำไดอยำงไร 3.3 ใบบวมสมบตเกลยดน ำเพรำะเหตใด อธบำย พรอมท งระบดวยวำเรำสำมำรถน ำ

หลกกำรของน ำกลงบนใบบวไปประยกตใชในดำนใดไดบำง 3.4 สวนไหนของตนตกแกทสำมำรถท ำใหยดเกำะตดกบฝำเพดำนไดอยำงแนน อธบำย

พรอมทงระบดวยวำเรำสำมำรถน ำหลกกำรนไปประยกตใชในดำนใดไดบำง 3.5 Lotus effect คออะไร และสอดคลองกบสมกำรของ Young’s อยำงไร เขยนสมกำร

อธบำย 3.6 แรงตงผวกบหยดน ำบนใบบวเกยวของกนอยำงไรบำง อธบำย 3.7 DC magnetron sputtering system และ RF magnetron sputtering system แตกตำงกน

อยำงไร 3.8 จงอธบำยนำโนเทคโนโลยในธรรมชำตทเกยวของกบควำมเปนผลกโฟโตนกสของ

ปกผเสอบำงชนด และนำโนเซรำมกสของเปลอกหอยเปำฮอ รวมทงบอกถงกำรน ำไปประยกตใช

3.9 น ำหยดลงบนวตถชนหนง สงเกตจำกหยดน ำพบวำ แรงตงผวระหวำงพนผววตถกบอำกำศเทำกบ 180 นวตน และแรงตงผวระหวำงหยดน ำกบอำกำศเทำกบ 120 นวตน มมสมผสระหวำงของแขงและอำกำศเปน 138.59 องศำ จงหำแรงตงผวระหวำงพนผววตถกบหยดน ำ และวตถนเปยกน ำหรอไม (90 นวตน)

บทท 4 การสงเคราะหวสดทมโครงสรางระดบนาโน:

4.1 การสรางวสดและอปกรณนาโนโดยใชกระบวนการแบบบนลงลาง (Top down)

4.1.1 การสลกลวดลาย (Lithography) 4.1.1.1 วธการลโทกราฟแบบใชแสง (Photo lithography, PL) 4.1.1.2 วธการลโทกราฟแบบใชปลายแหลม (Dip-pen nanolithography, DPN) 4.1.1.3 วธการลโทกราฟกแบบใชชองวาง (Nanosphere lithography, NSL) 4.1.1.4 วธการลโทกราฟแบบใชล าแสงอเลกตรอน (Electron beam lithography,

EBL) 4.1.2 การตกสะสม (Deposition)

4.1.2.1 การหมนเหวยง (Spin coating) 4.1.2.2 การระเหยกลายเปนไอ (Evaporation) 4.1.2.3 การเคลอบแบบสปตเตอรรง (Sputtering) 4.1.2.4 การตกสะสมไอสารดวยวธการทางเคม (Chemical vapor deposition)

4.1.3 การกดกรด (Etching) 4.1.4 การปลกผลก (Crystal growth) 4.1.5 วธอารคดสชารจ (Arc discharge) 4.1.6 วธใชเลเซอร หรอการระเหยดวยเลเซอร (Laser vaporization)

4.2 การสรางวสดและอปกรณนาโนโดยใชกระบวนการแบบลางสบน (Bottom up) 4.2.1 การสงเคราะหทางเคม (Chemical synthesis) 4.2.2 การประกอบตวเอง (Self assembly) 4.2.3 การใชกลองสองอะตอมเคลอนยายอะตอม (Scanning probe manipulation)

62 บทท 4 : การสงเคราะหวสดทมโครงสรางระดบนาโน

การสงเคราะหวสดนาโน แบงไดเปน 2 แบบ ไดแก การน าอนภาคขนาดเลกมาจดเรยงตวกนใหม และการยอยอนภาคขนาดใหญใหมขนาดเลกลง ทงนแตละวธมขอดและขอเสยแตกตางกน แตตางกมเปาหมายเพอมงเนนใหวสดหรออปกรณทสงเคราะหหรอผลตขนมความสามารถและมสมบตทดขน เชน มความแขงแรง และมความยดหยนทอณหภมสง มความตานทานตอการกดกรอน ตานทานการสกกรอน และตานทานตอการสกหรอเพมขน รวมทงมความสามารถในการท าปฏกรยาเคมไดดขน

4.1 การสรางวสดและอปกรณนาโนโดยใชกระบวนการแบบบนลงลาง (Top down) 4.1.1 การสลกลวดลาย (Lithography) ลโทกราฟฟ มลกษณะคลายกบการแกะสลกหรอการวาดแบบบนพนผวของของแขง

ซงเปนการจดการกบวสดชนใหญ โดยการน ามาแกะสลกใหเปนชนเลกลงโดยใชล าแสง ซงสามารถใชล าแสงไดทงแสงอลตราไวโอเลต (Ultraviolet) และแสงขาว หรอแสงทมองเหนได (Visible) โดยรายละเอยดเกยวกบสเปกตรมของแสงจะกลาวถงในบทถดไป ลโทกราฟฟ เปนวธการทส าคญส าหรบประยกตใชในอตสาหกรรมไมโครอเลกทรอนกส

นาโนลโทกราฟฟ (Nanolithography) เปนวธการลโทกราฟฟในระดบนาโนเมตรทไมสามารถใชแสงขาว (ความยาวคลนอยในชวง 400-700 นาโนเมตร) ในการจดการกบวสดได เนองจากใหญกวาโครงสรางระดบนาโนเมตร จงไมสามารถสรางลวดลายบนวสดระดบนาโนได ดงนนจงไดมการพฒนาเพอใหวธการลโทกราฟฟสามารถทจะใชผลตโครงสรางนาโนได โดยมากแลววธการนจะใชในกระบวนการของการผลตสารกงตวน า (Semiconductor) เพอประกอบส าหรบสรางเปนแผงวงจรรวมหรอไอซ (IC) ของชพคอมพวเตอร รวมทงอปกรณอเลกทรอนกสตางๆ และมแนวโนมในการทจะน ามาใชส าหรบระบบเครองกลไฟฟาระดบ นาโน (Nanoelectromechanical systems, NEMS) ซงในปจจบนวธการนาโนลโทกราฟฟทน ามาใชงานเพอสรางโครงสรางระดบนาโน มดงน

บทท 4 : การสงเคราะหวสดทมโครงสรางระดบนาโน 63

4.1.1.1 วธการลโทกราฟแบบใชแสง (Photo lithography, PL) โฟโตลโทกราฟฟ เปนวธการสรางโครงสรางนาโนทมขนตอนดงน

1. ใชแสงเลเซอรเขยนหรอวาดรปแบบวงจรบนชนของโครเมยมทเคลอบอยบนแกว ดงแสดงในภาพ 4.1

ภาพ 4.1 ใชแสงเลเซอรเขยนรปแบบวงจรส าหรบไมโครชป (Franssila, 2004)

2. น ารปแบบวงจรทสรางในขนตอนทหนง มาใชเปนมารค (Mask) เพอผลตรปแบบวงจรบนแผนซลกอนโดยใชแสงอลตราไวโอเลตกลาวคอ ผานล าแสงอลตราไวโอเลตใหทะลผานรปแบบวงจรทสรางขนในขนตอนทหนง โดยแสงจะผานทะลลงไปไดเฉพาะบรเวณทไมมชนของโครเมยม ทไดสลกลวดลายไวในขนตอนทหนง ผานไปยงแผนซลกอน และเกดรปแบบวงจรบนแผนซลกอนนน เทคโนโลยโฟโตลโทกราฟฟ สามารถใชในการผลตชปคอมพวเตอร และระบบไมโครอเลกทรอนกสทมขนาดเลกในระดบนาโน แตมขอจ ากดบางอยางจากการใชล าแสงอลตราไวโอเลตกลาวคอราคาทแพงและไมสะดวก ดงนนเพอใหสามารถสรางโครงสรางทมขนาดเลกลง ท างานไดเรวขน และราคาถก จงมการน าล าอเลกตรอน และรงสเอกซมาใชในกระบวนการโฟโตลโทกราฟฟแทนล าแสงอลตราไวโอเลต ภาพ 4.2 แสดงกระบวนการลโทกราฟแบบใชแสงในการเตรยมฟลมออกไซด

ล าแสงเลเซอร

แกว

ชนโครเมยม


ภาพ 4.2 กระบวนการลโทกราฟแบบใชแสง (ก) เคลอบฟลมออกไซด (ข) วางแผนกนแสง (Photoresist) (ค) ล าแสงอลตราไวโอเลตสองผานมารคไปยงชนงาน (ง) สรางรปแบบแผนกนแสง (จ) กดกรดชนออกไซดออก (ฉ) น าแผนกนแสงออก จะไดชนของออกไซดตามรปแบบทตองการ (Franssila, 2004)

ความหนาของช นออกไซด ทตองการส าห รบการประยกตใชงานทางอเลกทรอนกสมความส าคญเปนอยางมาก ยกตวอยางเชน การใชในวงจรทออกแบบเปนพเศษเพอการประหยดกระแสไฟฟา หรอซมอส (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) ซงมวธการหลากหลายวธในการเตรยมชนของฟลมออกไซด เชน เทคนคการตกสะสม

SiO2

Photoresist

UV radiation

(ก)

(ข)

(ค)

(ง)

(จ)

(ฉ)


ไอสารดวยวธการทางเคม (Chemical vapor deposition, CVD) ทสามารถเตรยมฟลมไดความบางในระดบ นาโนเมตรจนถงไมโครเมตร วธการสปตเตอรรง (Sputtering) สามารถเตรยมฟลมไดบางในระดบ 0.5 นาโนเมตร ถง 5 ไมโครเมตร ในขณะทวธการหมนเหวยง (Spin coating) สามารถเตรยมฟลมในระดบความบาง 10 นาโนเมตร ถงความหนา 100 ไมโครเมตรภาพ 4.3 แสดงวธลโทกราฟในระดบมตตางๆ

ภาพ 4.3 วธลโทกราฟในระดบมตตางๆ

4.1.1.2 วธการลโทกราฟแบบใชปลายแหลม (Dip-pen nanolithography, DPN)

Dip-pen nanolithography (DPN) เปนการสรางโครงสรางระดบนาโนเมตรทตองการบนพนผวตางๆ โดยการเขยนลงบนพนผวโดยตรง โดยใชปลายแหลมของเครอง AFM ซงตรงปลายแหลมจะมทเกบหมก เมอใชปลายแหลมลากผานพนผวของวตถ อะตอมของหมกจะท าปฏกรยากบพนผวตงตน เกดเปนโครงสรางนาโนทมความเสถยรบนผววตถนน ซงหมกท ใช เปนไดท งส ารประกอบทางชวภาพ เชน โพ ล เมอร หรอสารประกอบทางเค ม เชน ก ามะถน หรอโมเลกลทางชวภาพ เชน ดเอนเอ หรอโปรตน เปนตน

1 nm 10 nm 100 nm 1m 10 m

ล าอเลกตรอน ล าแสง

แนวมต

วธลโทกราฟ

Epitaxial Thin films

Diffusions เครองมอ AFM, TEM SEM Optical

ล าแสง X-rays UV UV Visible infrared

http://www.atom.rmutphysics.com/charud/scibook/nanotech/Page/Unit4-3.html


4.1.1.3 วธการลโทกราฟการใชแบบชองวาง (Nanosphere lithography, NSL) Nanosphere lithography (NSL) เปนการสรางโครงสรางทมหลกการงายๆ จาก

การวางแบบ (Pattern) ทตองการทจะสรางบนพนผว โดยแบบทวางจะมชองวางหรอรอย จากนนใชเนอวสดทตองการสรางจรงท าการเคลอบปกคลมแบบทวางเอาไวใหทว หลงจากนนกเอาแบบทวางไวตอนแรกออก กจะไดเปนโครงสรางในระดบนาโน ทเกดขนบรเวณทเปนชองหรอรจากแบบทวาง ยกตวอยางเชน ถาหากน าลกแกวมาเรยงบนแผนกระดานจนเตมพนผวตงตนโดยจดใหชดทสดเทาทจะชดได จากนนใชสฉดพนไปบนลกแกวจนทวทงหมด จะพบวาเมอน าลกแกวออกจากแผนกระดาน สสเปรยทฉดพนลงไปจะปรากฏอยบนพนกระดานเปนจดๆโดยทกจดมรปทรงคลายสามเหลยม แตมดานทเวนเวาขางใน ซงจดทเกดขนนเกดจากสทพนผานชองวางเลกระดบนาโนทอยระหวางลกแกวทวางตดกน ท าใหไดโครงสรางระดบนาโนของสทพนลงไป

ขอดของวธการนคอ สามารถใชกบพนผวไดหลายชนด สามารถเลอกโมเลกลทพนลงไปไดหลากหลาย สามารถพนโมเลกลทบไดหลายชน และสามารถสรางจดนาโนไดเปนจ านวนมากในครงเดยว

4.1.1.4 ว ธ ก ารล โท ก ราฟ แบ บ ใช ล าแส งอ เล ก ต รอน (Electron beam lithography, EBL)

Electron beam lithography (EBL) เปนวธการสรางโครงสรางระดบนาโนเมตร โดยการใชล าอนภาคอเลกตรอนจากกลองจลทรรศนอเลกตรอน ดงแสดงในภาพ 4.4 เพอสรางรปแบบของโครงสรางบนพนผววสด โดยการใชคอมพวเตอรในการควบคมการปลอยล าอเลกตรอน ใหแคบลงในระดบนาโนเมตรลงสพนผวของวตถ ซงเปนพนผวทถกเคลอบดวยฟลมบางของสารบางชนด เชน โพลเมอรจากการหมนเหวยง (Spin coating) หลงจากใชล าแสงอเลกตรอนสรางรปแบบบนฟลมบางแลว ท าการระเหยฟลมบางนนออก ซงฟลมบางตรงสวนทถกล าแสงอเลกตรอนสรางรปแบบไว จะไมถกระเหยไป และจะปรากฏอยบนพนผวของวตถนน


ภาพ 4.4 กลองจลทรรศนอเลกตรอนทใชในการสรางโครงสรางนาโนโดยวธ EBL (สถาบนนวตกรรมและพฒนาการเรยนร มหาวทยาลยมหดล, 2554)

วธการนถกน ามาประยกตใชอยางกวางขวางในอตสาหกรรมการสรางแผงวงจร

ไฟฟา ซงเปนวธการสรางโครงสรางนาโนทมความแมนย าสง และสามารถใชไดกบพนผววสดหลากหลายชนด ภาพ 4.5 แสดงขนตอนการสรางโครงสรางนาโนตามวธ EBL

Emitting tip

Grid

Anode

Limiting aperture

Coil Magnetic field

Iron core

Resist film


ภาพ 4.5 ขนตอนการสรางโครงสรางนาโนตามวธ EBL (สถาบนนวตกรรมและพฒนาการเรยนร มหาวทยาลยมหดล, 2554)

4.1.2 การตกสะสม (Deposition) 4.1.2.1 การหมนเหวยง (Spin coating) เปนการสรางโครงสรางระดบนาโนในลกษณะเปนฟลมบาง เรมจากการวาง

ฐานรอง (Substrate) ลงบนฐานของเครองหมนเหวยง หยดสารละลายตงตนลงบนฐานรอง (Substrate) ซงจะมปมสญญากาศในการท าใหฐานรองยดตดกบฐานของเครอง จากนนหมนเหวยงใหสารละลายแผกระจายอยางสม าเสมอบนฐานรองแลวทงไวทอณหภมหองหรออบในเตาอบเพอใหสารแหงตดบนฐานรอง ดงแสดงในภาพ 4.6 วธนสามารถเตรยมฟลมทความเรวในการหมนเหวยงสงได และสามารถเตรยมฟลมบางตงแต 0.1 ถง 5 ไมโครเมตรได แตวธนมขอเสยตรงลกษณะของฟลมทไดมกจะมการหดตว (Film shrinkage) ท าใหไดฟลมทไมสม าเสมอ

ล าอเลกตรอน

เคลอบฟลมบาง โดยการหมนเหวยง

ใชล าอเลกตรอน สรางแบบบนฟลมบาง

คงเหลอเฉพาะฟลมบางท ถกสรางโดยล าอเลกตรอน ระเหยฟลมบางออก


ภาพ 4.6 การหมนเหวยงสาร (Kruefu, 2011)

4.1.2.2 การระเหยกลายเปนไอ (Evaporation) เปนการสรางโครงสรางระดบนาโนจากการระเหยสารใหกลายเปนไอแลวกอ

ตวเปนชนฟลมบนพนผวทตองการ ดงแสดงในภาพ 4.7 สารทถกระเหยจะถกท าใหรอนในระบบสญญากาศ จากนนกจะระเหยกลายเปนไอแลวกอตวเปนฟลมบนชนตวอยาง สารทใชในการเตรยมโครงสรางในระดบนาโนเมตรโดยวธการนสวนใหญเปนวสดโลหะ ขอเสยของฟลมทไดจากวธการน คอ ความเครยด (Stress) ทอาจเกดขนบนฟลม ภาพ 4.8 แสดงภาพเครองระเหยกลายเปนไอ

ภาพ 4.7 แผนภาพเครองระเหยกลายเปนไอ (Kruefu, 2011)

หยดสารละลายท ตองการเตรยมบนฐานรอง

หมนเหวยง ท าใหแหง

ระบบสญญากาศ

สารทตองการระเหยเปนฟลม

Shutter

ระบบหลอเยน

ชนตวอยาง

ภาชนะทนความรอน

ระบบปมสญญากาศ


ภาพ 4.8 เครองระเหยกลายเปนไอ (Kruefu, 2011)

4.1.2.3 การเคลอบแบบสปตเตอรรง (Sputtering) การเคลอบแบบสปตเตอรรง (Sputtering) เปนกระบวนการทอะตอมผวหนา

ของวสดถกท าใหหลดออกมาดวยการชนของอนภาคพลงงานสง โดยมการแลกเปลยนพลงงาน และโมเมนตมระหวางอนภาคทวงเขาชนกบอะตอมทผววสด กระบวนการนอนภาคทวงเขาชนอาจเปนกลางทางไฟฟาหรอมประจกได ดงนนสงทจ าเปนในกระบวนการสปตเตอรรง คอ

- สารทตองการเคลอบ ส าหรบเปนเปา (Target) ใหอนภาคพลงงานสงวงเขาชนจนมการปลดปลอยอะตอมสารเคลอบลงเคลอบบนแผนรองรบ

- อนภาคพลงงานสงวงชนเปาสารเคลอบ โดยปกตอนภาคพลงงานสงนอาจเปนกลางทางไฟฟา เชน นวตรอนหรออะตอมของธาตตางๆ แตการท าใหอนภาคทเปนกลางมพลงงานสงเกน 10 อเลกตรอนโวลล เพอใชในกระบวนการสปตเตอรรง ท าไดคอนขางยาก วธการหนงทนยม คอ การเรงอนภาคอเลกตรอนภายใตสนามไฟฟา ซงสามารถควบคมระดบพลงงานของไอออนไดตามตองการ อเลกตรอนเปนอนภาคประจทงายตอการผลตและเรงใหม


พลงงานสงภายใตสนามไฟฟาได แตอเลกตรอนมมวลนอยกวาอะตอมของสารเคลอบมาก ท าใหการถายเทพลงงานและโมเมนตมตออะตอมสารเคลอบเปนไปอยางไมมประสทธภาพ และไมสามารถท าใหกระบวนการสปตเตอรรงเกดขนไดตามทฤษฎทางฟสกสการชนระหวางสองอนภาคทใหการสงถายพลงงานและโมเมนตมดทสดเมอมวลของอนภาคทงสองมคาเทากน ดงนนการเรงไอออนของแกสในสนามไฟฟาเปนอนภาควงชนเปาสารเคลอบจงเปนทนยมมากกวา ซงใหอตราการปลดปลอยเปาสารเคลอบสงเพยงพอกบความตองการ

- อนภาคพลงงานสงจ าเปนตองผลตขนอยางตอเนองเพอใหกระบวนการเคลอบสารเกดขนไดตอเนองจนไดความหนาของฟลมเคลอบตามตองการ ซงสามารถท าไดโดยการใชล าอนภาคจากปน ไอออน (Ion gun) ทมปรมาณการผลตไอออนในอตราสงหรอผลตไดจากกระบวนการโกลวดสชารจ (Glow discharge) เนองจากปนไอออนมราคาคอนขางสงและใหไอออนในพ น ทแคบ กระบวนการสปตเตอรรงทวๆ ไปในระดบอตสาหกรรมจงใชกระบวนการโกลวดสชารจ

การเคลอบสารแบบสปตเตอรรงอาศยกระบวนการทางฟสกส และใหความคงทนในการเกาะยดของฟลมสงกวาวธการระเหยสาร โดยทวไปกระบวนการเคลอบเกดขนภายใตบรรยากาศความดนต าในชวง 10-3 ถง 10-1 ทอร (1 ทอร = ความดน 1 มลลเมตรปรอท) และอาศยการดสชารจไฟฟาของแกสท าใหเกดการแตกตวเปนไอออน จากนนไอออนจะถกเรงเขาชนแผนสารเคลอบ (Target) ซงตออยกบข วลบของแหลงก าเนดไฟฟาแรงสง คอ 500 - 10,000 โวลต สารเคลอบทถกชนดวยไอออนของแกสจะหลดออกและวงดวยความเรวสงลงเคลอบบนแผนรองรบในทกทศทาง พลงงานของอนภาคสารเคลอบทหลดออกมาจากขบวนการสปตเตอรรงนสงกวาอนภาคทหลดออกดวยวธการระเหยสารมาก ดงนนเมอตกกระทบลงบนแผนรองรบจะเกดการฝงตวลงในเนอแผนรองรบ และท าใหการยดเกาะของฟลมเคลอบดขนมาก วสดทตองการเคลอบดวยวธสปตเตอรอาจเปนโลหะหรออโลหะ และสารทเคลอบอาจเปนโลหะหรออโลหะกได ซงเปนขอดเมอเปรยบเทยบกบการเคลอบดวยวธไฟฟาเคม ซงแผนรองรบตองเปนตวน าไฟฟาเทานน ภาพ 4.9 แสดงระบบการสปตเตอรรงแบบดซแมกนตรอน


ภาพ 4.9 ระบบสปตเตอรรงแบบดซแมกนตรอน (วรนธชา, 2550)

อตสาหกรรมหลายดานใชการเคลอบดวยวธสปตเตอรรงในอปกรณทางไฟฟา ตวอยางเชน

ทางแกสเขา

แหลงจายไฟกระแสตรง

อะตอมของสารทหลดออกมา

ระบบน าหลอเยน

สปตเตอร

พลาสมา

เปาสาร

แมเหลก แมเหลก คาโทด

ฟลมของสาร

อาโนด

ฐานรอง

โรตารปม

ดฟฟวชนปม

ตอลงพน


- การเคลอบฟลมตวตานทาน - การเคลอบฟลมตวเกบประจ - การเคลอบในการท าวงจรรวม (Integrated circuit) - การเคลอบฟลมแมเหลก - การเคลอบฟลมเรองแสง - การเคลอบผวโฟโตคอนดกเตอร (Photoconductor) - การเคลอบอปกรณตรวจสอบฟลมบาง - การเคลอบฟลมบางของตวน าไฟฟายงยวด - การท าขวไฟฟาฟลมบาง

นอกจากนยงสามารถใชในอปกรณอนๆไดอกมากมาย เชนอปกรณทางแสง

อปกรณทางดานเครองกล อปกรณทางเคม และเครองประดบ เปนตน ภาพ 4.7 แสดงระบบการสปตเตอรรงแบบดซแมกนตรอน (DC magnetron sputtering)

ระบบการสปตเตอรรงแบบดซแมกนตรอน (DC magnetron sputtering system) แหลงก าเนดไฟฟาแรงสงทใชกบระบบ ใชไฟฟากระแสตรงและใชสนามแมเหลกชวยเพมระยะทางการเคลอนทของอเลกตรอนจากคาโทดสอาโนด โดยท าใหอเลกตรอนเบนทศทางใหอยในแนวโคงเพอเพมปรมาณอนภาคไอออน เนองจากอเลกตรอนจะชนกบอะตอมของแกสมากขนซงท าใหอตราการสปตเตอรรงเพมขนหลายเทาตว การสปตเตอรรงแบบดซแมกนตรอนมขอจ ากดตรงทวาสามารถใชกบการสปตเตอรสารทมสมบตน าไฟฟาหรอเปนสารกงตวน าเทานน ซงตางกบระบบการสปตเตอรรงแบบอารเอฟแมกนตรอน (RF magnetron sputtering system) ทสามารถใชกบการสปตเตอรสารไดอเลกตรกหรอฉนวนไฟฟาได เนองจากไอออนทวงชนสารในระบบดซจะสะสมศกยไฟฟาบวกทผวหนาของฉนวนจนมศกยไฟฟาเทากบ อาโนด และท าใหกระบวนการสปตเตอรสนสดลง สวนระบบอารเอฟจะพาอเลกตรอนเขาสผวไดอเลกตรกท าใหผวหนาเปนกลางหรอเปนลบในชวงบวกเพอพรอมทจะเกดขบวนการสปตเตอรไดอกในชวงลบถดไป


4.1.2.4 การตกสะสมไอสารดวยวธการทางเคม (Chemical vapor deposition; CVD)

การตกสะสมไอสารดวยวธการทางเคม (Chemical vapor deposition; CVD) เปนการปลกฟลมจากสถานะของไอหรอแกส ดวยปฏกรยาเคมในแกสและบนแผนฐาน CVD ใชกบการปลกฟลมของโพล-ซลกอน (Poly-Si) ซลกอนไนไตรด (Si3N4) ซลกอนไดออกไซด (SiO2) และโลหะ สามารถควบคมความเครยด (Stress) ภายในฟลมไดจากสภาวะการตกสะสม (Deposition condition) และการอบออน (Annealing)

การตกสะสมไอสารดวยวธการทางฟสกส (Physical vapour deposition; PVD) คอ การตกตะกอนของไอสสารทไดมาโดยวธการทางฟสกส เปนเทคโนโลยทางดานวศวกรรมผววสด เพอเตรยมฟลมบางส าหรบการใชงานตางๆ เชน งานดานการสกหรอ แรงเสยดทาน และการหลอลน งานดานวสดเชงแสง (Optics) และเทคโนโลยไมโครชพ (Microchips) เปนตน วธการนสารตงตนจะถกท าใหเปนไอในระบบสญญากาศโดยวธตางๆ ทางฟสกส แลวไอสสาร ซงมท งอะตอมและไอออน จะตกตะกอนลงบนพนผวทตองการท งในแบบเกดปฏกรยา (Reactive deposition) และไมเกดปฏกรยา (Non reactive deposition) เพอสรางสารเคลอบตางๆ ตามความตองการ PVD มหลายแบบแตกตางกนตามวธการทท าใหไดมาซงไอสาร แตละแบบตางกมขอดและขอเสยแตกตางกนไป

4.1.3 การกดกรด (Etching) 4.1.3.1 ประเภทของการกดกรด แบงออกไดเปน 2 ประเภท ดงน คอ

1. การกดกรดแบบเปยก (Wet etching) เปนการใชสารเคมจ าพวกกรดกดแกว หรอเรยกวากรดไฮโดรฟลออรก

(Hydrofluoric acid, HF) เปนกรดกดซลกอนไดออกไซด (SiO2) โดยสวนมากจะเปนการกดแบบ Isotropic ซงการกดแบบน อาจท าใหเกดปญหาทจะมผลท าใหโครงสรางทกดแคบลง หรออาจหายไป


2. การกดกรดแบบแหง (Dry etching) เปนการใชสารในสถานะแกสเปนตวกด โดยสวนมากเปนการกดแบบ

Anisotropic ท าใหไดผนงดานขางเปนแนวตง (Vertical side wall) 4.1.3.2 ขนตอนการกดกรด (Etching)

1. น าชนงานทผานการขดลางผวหนาดวยน าและแอลกอฮอลใหสะอาด 2. จมผวดานหนาของชนงานลงในกรดกดผว โดยจบชนงานใหผวหนา

ของชนงานสมผสกบกรด โดยแกวงไปมาในกรดกดผวประมาณ 8-15 วนาท

3. ลางผวหนาชนงานดวยน าสะอาดทนท 4. ลางดวยแอลกอฮอลทนทหลงลางดวยน า 5. เปาผวหนาดวยลมรอนใหแหงทนทเพอปองกนการเกดปฏกรยา

ออกซเดชน (Oxidation) 4.1.3.3 ขอควรระวงในการกดกรด

1. อยาสมผสผวหนาชนงานภายหลงจากกดผวหนาดวยกรด 2. ระวงอยาใหน าผสมกบกรด 3. ถากรดทใชในการกดผวชนงานเรมเปลยนสเปนสเหลอง ไมควร

น ามาใชตอ ควรเปลยนใหมกอนใชงานครงตอไป 4.1.4 การปลกผลก (Crystal growth)

4.1.4.1 ผลกอญรป (Crystalline) ผลก หมายถง สารของแขงทมลกษณะโครงสรางภายในทมการจดเรยงตวของ

อะตอมเปนไปอยางมระเบยบ มรปแบบทแนนอน โดยอะตอมตางๆ จะมต าแหนงทอยทแนนอน ในทางปฏบตจะหาผลกทสมบรณรอยเปอรเซนตไดยาก เพราะอยางไรกตาม มกจะเกดจดบกพรอง (Defect) หรอจดต าหนเกดขน ท าใหความเปนระเบยบของอะตอมสญเสยไป จดบกพรองมหลายลกษณะ และมสาเหตการเกดทแตกตางกน ตวอยางงายๆ ของจดบกพรองทเกดขนกคอ การขาดหายไปของอะตอมในบางจด บางต าแหนงซงควรจะมอะตอมอย หรอการ


มอะตอมเขามาอยในต าแหนงทไมควรจะมอย เปนตน ดงนนในทางปฏบต จงจดแบงวสดของแขงทเปนผลกออกเปน 2 ชนด คอ

ผลกทสมบรณ หมายถง สารของแขงทมจดบกพรอง หรอต าหนมจ านวนนอย อะตอมสวนใหญมการเรยงตวอยางเปนระเบยบ และมรปแบบทแนนอนเหมอนกนทงหมด ผลกชนดนนยมเรยกกนวา ผลกรปเดยว (Single crystalline) ดงแสดงในภาพ 4.10 (ค)

ผลกทไมสมบรณ หมายถง สารของแขงทมจดบกพรองเปนจ านวนมาก หรอมลกษณะการจดเรยงตวของผลกทไมตอเนอง หรอมความเปนระเบยบนอย ดงแสดงในภาพ 4.10 (ข) วสดดงกลาวนยมเรยกกนวา ผลกโพลครสตอล (Polycrystalline) อปกรณสารกงตวน า สวนมากทใชงานในปจจบนสรางมาจากผลกรปเดยวของซลคอน และอาจมการใชผลกหลายรปอยบาง เพอการสรางสวนหนงสวนใดของสงประดษฐ เชน การเอาผลกหลายรปของซลคอน หรอเรยกงายๆ วาโพลซลคอน สรางเปนสวนเกท (Gate) ของทรานซสเตอรประเภทมอส (MOS Transistor) เปนตน

(ก) (ข) (ค)

ภาพ 4.10 ลกษณะโครงสรางภายในของสารของแขงโดยพจารณาความเปนระเบยบในการจดเรยงตวของอะตอม (ก) อะมอรฟส (ข) ผลกหลายรป (Poly crystalline) และ (ค) ผลกรปเดยว (Single crystalline) (สมเกยรต, 2554)


4.1.4.2 การปลกผลก (Crystal growth) การปลกผลก (Crystal growth) เปนกระบวนการในการน าแรซลกอนบรสทธท

มผลกหลายรป มาสรางใหเปนผลกรปเดยวทสมบรณ การปลกผลกจะใชชนผลกชนเลกๆ ของซลกอนเปนสวนเรมตน เพอการเหนยวน าใหเกดเปนผลกทมขนาดใหญ โดยเรยกชนผลกเลกๆ นวา เมลดผลก (Crystal seed) ผลกทปลกไดจะมลกษณะเหมอนกบเมลดผลกทกประการ การปลกผลกรปเดยว สามารถท า ไดหลายวธ แตวธทนยมกนไดแก วธโชคราสก (Czochralski) วธโซนรไฟนง (Zone refining) และวธโฟลตตงโซน (Floating zone)

(ก) วธโชคราลสก (Czochralski method) วธโชคราลสก (Czochralski method) หรอเรยกวาวธดง (Pulling method) โดย

ลกษณะของอปกรณทใช แสดงดงในภาพ 4.11 เรมจากการน าแรบรสทธทตองการปลกใสลงในเบาหลอมทอยในเตาชนดพเศษ เพอหลอมใหเปนของเหลว ควบคมภายในเตาใหเปนบรรยากาศของแกสเฉอย เชน แกสอารกอน (Ar) หรอแกสฮเลยม (He) เพอปองกนการเกดออกไซดของซลกอน นอกจากนตองควบคมไมใหมสงแปลกปลอมหรอสารเจอปนอนๆ เพอใหไดผลกสารกงตวน าทมความบรสทธสง ระบบก าเนดความรอนของเตาเปนขดลวดเหนยวน าความรอนดวยคลนวทย (R.F. induction heating coils) ซงสามารถควบคมอณหภมไดอยางมประสทธภาพ เมอเบาหลอมถกท าใหรอนเทากบจดหลอมเหลวของซลกอนท 1,420

องศาเซลเซยส แรซลกอนจะหลอมเปนของเหลว จากนนเรมการปลกผลกดวยการหยอนเมลดผลกใหปลายดานหนงแตะกบ

ผวหนาของสารละลายของแรซลกอนทหลอมเหลว ปลายของเมลดผลกดานนจะหลอมละลายเปนเนอเดยวกบของเหลวในเบาหลอม เมลดผลกจะถกดงขนอยางชาๆ และในเวลาเดยวกนกจะหมนรอบตวเองไปดวย ของเหลวในเบาหลอมจะตดกบเมลดผลกขนมา และเยนตวลง มสภาพกลายเปนผลกมระนาบเหมอนกบเมลดผลก ขณะทเมลดผลกถกดงขนมาอยางตอเนอง ของเหลวซงเปนสารกงตวน า กจะถกดงขนมาอยางตอเนองดวยเชนกนท าใหไดแทงผลกรปทรงกระบอกโดยมขนาดตางๆ กนซงขนอยกบอตราการหมนและอตราการดงเมลดผลก รวมทงขนาดของเมลดผลกดวย กรณทไมมการเตมอะตอมสารเจอปนใดๆ แทงผลกรปเดยว (Single crystal) ทไดจะเปนผลกสารกงตวน าทบรสทธ หรอสารอนทรนซก (Intrinsic) อยางไร


กดในทางปฏบต มกมการเตมอะตอมสารเจอของธาตบางชนดลงไปดวยเพอชวยท าใหผลกสารกงตวน าทไดมความน าไฟฟาทสงตามทตองการ สารเจอเหลานไดแกอะตอมของธาตในหมท 3 ของตารางพรออดค เชน โบรอน (B) อะลมเนยม (Al) และอนเดยม (In) ซงเรยกวาสารเจอชนดพ (P-type impurity) หรอธาตในหมท 5 เชน ฟอสฟอรส (P) สารหน (As) และ พลวง (Sb) ซงเรยกวาสารเจอชนดเอน (N-type impurity) กรณนจะท าใหไดผลกทไมบรสทธ หรอสารกงตวน าเอกทรนซก (Extrinsic semiconductor) ซงเปนชนดพ หรอชนดเอน ตามล าดบ

ภาพ 4.11 การปลกผลกรปเดยวของซลกอนโดยวธโชคลาสก (สมเกยรต, 2554)

ปจจบนวธนสามารถปลกผลกทมขนาดใหญมากได โดยมขนาดเสนผานศนยกลางประมาณ 8 นว ขนาดความยาวของแทงผลกประมาณ 1 เมตร ซงนบวามขนาดใหญมาก และมสวนส าคญในการสรางอปกรณสารกงตวน าในวงจรรวมขนาดใหญมาก

(ข) วธโซนรไฟนง (Zone refining method) การปลกผลกโดยวธโซนรไฟนง (Zone refining method) เรมจากการน าแทง

ผลกหลายรปทเตรยมไวใสลงในถาดเบาหลอม ดงแสดงในภาพ 4.12 แลวน าเขาเตาอณหภมสง โดยภายในเตาจะถกจดแบงเปนสวนๆ ท าใหแทงผลกหลอมละลายเฉพาะบางสวนทมขนาดเลกๆ แทงสารจะยงคงรปไดดวยแรงตงผว บรเวณหลอมเหลวของแทงสารจะเลอนตามการเลอนต าแหนงของขดลวดความรอน เรมจากดานหนงเลอนไปยงปลายอกดานหนงสารแปลกปลอมหรอสงเจอปนทอยในแทงสารจะถกปดออกไปอยทปลายดานหนง เนองจากความ


หนาแนนอะตอมของสารเจอปนใดๆ ในสารทเปนของเหลวมคามากกวาการกระจายในสารทเปนของแขง เมอสวนทหลอมเหลวเลอนมาสดทปลายดานหนง อะตอมแปลกปลอมตางๆ จะถกพามาดวย แลวหลงจากนนจงตดทงกอนน าแทงผลกไปใชงาน แทงผลกทไดจากวธนจะมความบรสทธสง และจากเมลดผลกทตดตรงปลายดานหนงของแทงสาร จะท าใหแทงผลกรปเดยวทไดมระนาบของผลกเหมอนกบเมลดผลกทกประการ แตวธนไมสามารถสรางแทงผลกรปเดยวทมขนาดใหญได เพราะการกระจายความรอนเขาไปในแทงสารขนาดใหญท าไดยาก และตองใชเวลานาน

ภาพ 4.12 แผนภาพจ าลองการปลกผลกรปเดยวโดยวธโซนรไฟนง (สมเกยรต, 2554)

(ค) วธโฟลตตงโซน (Floating zone) การปลกผลกรปเดยวดวยวธโฟลตตงโซน (Floating zone) ผลกทไดมกไม

สมบรณ ซงเกดขนเนองจากแทงผลกทสมผสกบเบาหลอมทเปนซลกา (SiO2) ท าใหมออกซเจนเกดขนในเตาผลกทปลก ท าใหไดผลกทไมสมบรณ ดงนนจงมการเปลยนแปลงใหแทงสารถกวางไวในแนวตงโดยไมสมผสกบสงใดๆ ดงแสดงในภาพ 4.13 วธนจะท าใหไดแทงผลกรปเดยวทมความสมบรณมาก แตมขอเสยคอไมสามารถสรางแทงผลกทมขนาดใหญๆ ไดเพราะมน าหนกมาก แทงผลกไมสามารถทรงตวอยไดบนสวนทหลอมเหลว

ขดลวดเหนยวน าความรอน

ผลกหลายรปสวนทเยน

เบาหลอม

หลอมละลาย

เมลดผลก


ภาพ 4.13 อปกรณทใชในการปลกผลกรปเดยวโดยวธโฟลทตงโซน (สมเกยรต, 2554)

การน าแทงผลกไปใชงานท าไดโดยการตดแทงผลกออกเปนแผนบางๆ เรยกวาแผนผลก หรอ เวเฟอร (Wafer) เพอน าไปใชในการสรางเปนอปกรณสารกงตวน าตอไป

4.1.5 วธอารคดสชารจ (Arc discharge) วธอารกดสชารจ (Arc discharge) เปนเทคนคในการเตรยมทอนาโนคารบอน ดง

แสดงในภาพ 4.14 จากการใชไฟฟากระแสตรงประมาณ 20-200 แอมแปร ทความตางศกย

หมน ทางแกสออก

แทงผลกโพลครสตล

ของเหลว

ขดลวดน าความรอน

ผลกรปเดยว

ทางแกสเขา

เมลดผลก


ประมาณ 20-40 โวลท ตกครอมระหวางแทงกราไฟตสองแทงทวางใกลๆ กน โดยเลอกใชขนาดของแทงแกรไฟตทมเสนผานศนยกลางตางกน วางไวใกลๆกนในระยะหางประมาณ 1-3 มลลเมตร ภายใตบรรยากาศของแกสเฉอย เชนแกสฮเลยม (He) ทความดนต าประมาณ 100-500 มลลเมตรปรอท จะท าใหเกดประกายไฟหรอเกดสถานะพลาสมาขนระหวางแทงแกรไฟต และมอณหภมสงบรเวณระหวางขวอเลกโทรด สงผลใหแทงแกรไฟตระเหยกลายเปนไอแลวมการควบแนนกลายเปนทอนาโนคารบอนบรเวณปลายแทงแกรไฟตทตอกบขวลบ (Cathode) การควบคมขนาด ความยาว หรอจ านวนชนของทอนาโนคารบอน สามารถท าโดยการควบคมความดน อณหภม และการเตมผงโลหะแคตะลสต (Catalyst) ปรมาณเลกนอย เชน เหลก (Fe) นกเกล (Ni) หรอโคบอลต (Co) อยางใดอยางหนง หรอผสมกนลงในแทงแกรไฟตทตอกบขวบวก (Anode)

ภาพ 4.14 อปกรณทใชในการเตรยมทอนาโนคารบอน (Carbon nanotube, CNTs) โดยวธอารคดสชารจ (สมเกยรต, 2554)

4.1.6 การระเหยดวยเลเซอร (Laser vaporization) การระเหยดวยเลเซอร (Laser vaporization) เปนเทคนคในการเตรยมทอนาโน

คารบอนซงคลายกบวธอารคดสชารจ แตปรมาณและคณภาพของทอนาโนคารบอนทเตรยมได

ขวบวก

ขวลบ

แคตาลสต พลาสมา CNTs

แทงแกรไฟต

ปมสญญากาศ แกสฮเลยม


จะดกวา วธนจะใชพลลแสงเลเซอรทมความเขมแสงสงยงไปยงเปาซงเปนแกรไฟตผสมกบผงโลหะคะตะลสต ภายใตบรรยากาศของแกสเฉอย ทความดนต าประมาณ 500 มลลเมตรปรอท และอณหภมประมาณ 1200 องศาเซลเซยส กจะไดทอนาโนคารบอน วธนมขอเสย คอราคาแพงมาก และตองใชแหลงก าเนดแสงเลเซอรก าลงสง

4.2 การสรางวสดและอปกรณนาโนโดยใชกระบวนการแบบลางสบน (Bottom up)

4.2.1 การสงเคราะหทางเคม (Chemical synthesis) 4.2.1.1 ไฮโดรเทอรมอล (Hydrothermal) ไฮโดรเทอรมอล (Hydrothermal) เปนวธทไดรบความนยมอยางกวางขวางใน

การสงเคราะหอนภาคเซรามกสขนาดนาโนเมตร เนองจากอนภาคทสงเคราะหไดมความสม าเสมอทงองคประกอบทางเคม และขนาดของอนภาค สามารถสงเคราะหไดในขนตอนเดยวทอณหภม และความดนสงปานกลาง โดยไมตองผานขนตอนการเผาอบออน (Calcination) และมอณหภมของการเผาผนก (Sintering temperature) ต า เมอเทยบกบอนภาคทสงเคราะหไดจากวธการสงเคราะหทางเคมอนๆ เพราะอนภาคมขนาดเลกกวา แตวธการสงเคราะหแบบนจะตองมการควบคมคาความเปนกรดดาง (pH) อณหภม และความเขมขนของสารทเขาท าปฏกรยา

ยกตวอยางการสงเคราะหอนภาคขนาดนาโนของไทเทเนยมไดออกไซด (TiO2) โดยวธไฮโดรเทอรมอล เรมจากการเกดปฏกรยาโดยตรงระหวางของเหลว คอ การเตมสารละลายไทเทเนยมไอโซโพรพรอกไซด (Ti(OCH(CH3)2)4) ลงในสารละลายโซเดยมไฮดรอกไซด (NaOH) ภายใตอณหภม 150 องศาเซลเซยส ปรบคา pH ประมาณ 1 จากนนจะเกดกระบวนการของอนภาคไทเทเนยมไดออกไซด น าสารละลายทไดเขาเครองไฮโดรเทอรมอล โดยควบคมความรอน และเวลา ขณะเกดปฏกรยาจะไดตะกอนของไทเทเนยมไดออกไซดทมอนภาคขนาดนาโนเมตร

4.2.1.2 ตกตะกอนรวม (Coprecipitation) วธการตกตะกอนรวม (Coprecipitation) เปนวธของการแยกไอออน หรอโมเลกลของสาร ซงอยในเฟสของสารละลายท าใหกระจายอยในเฟสของของแขงหรอทเรยกวา


ตะกอน โดยเพมสมบตทเหมาะสมส าหรบการตกตะกอน เชน คาพเอช (pH) ความเขมขน บรรยากาศ และอตราการผสมสารละลาย เปนตน วธการตกตะกอนเปนวธทมกระบวนการทไมยงยาก ไดผลผลตทสงและการเรยกชอวธการสงเคราะหจะเรยกตามชนดของตวกลางหลกทใช ยกตวอยางเชน การสงเคราะหไทเทเนยมไดออกไซดโดยวธการตกตะกอนรวม เรมจากการท าปฏกรยากนระหวางโพแทสเซยมไททานลออกซาเลตไดไฮเดรต (K2[TiO(C2O4)2]·2H2O) กบแอมโมเนยมไฮดรอกไซด (NH4OH) ดวยอตราสวน 1:1 โดยโมล ซงจะตกตะกอนสมบรณทคา pH ประมาณ 1 โดยใชแอมโมเนยเปนสารตกตะกอน น าตะกอนทไดเผาแคลไซนทอณหภม 100 องศาเซลเซยส และภายหลงจากทเผาแคลไซนแลวจะไดสารไทเทเนยมไดออกไซดท มลกษณะเปนผงสขาวละเอยด และมขนาดเลกในระดบนาโนเมตร

4.2.1.3 ซอลเจล (Sol-gel) ซอลเจล (Sol-gel) เปนวธการทใชสารตงตนทอยในสภาพของสารละลายทผสม

เขากนไดเปนอยางดและสามารถท าปฏกรยากนในระดบโมเลกล ท าใหเกดโมเลกลทเปนสายโซยาว หรอเกดอนภาคทมขนาดเลกกระจายตวอยในของเหลวท เรยกวา ซอล (Sol) เมอความเขมขนของสารละลายเพมขน ความหนดของสารละลายจะสงขนจนกระทงกลายสภาพเปนสารกงของเหลวท เรยกวา เจล (Gel) จากนนจงน าเจลทไดท าใหแหงสนท แลวบดใหเปนผงละเอยดกอนจะเผาแคลไซนดวยอณหภมทเหมาะสม วธการเตรยมอนภาคแบบซอลเจล จะท าใหไดอนภาคทมขนาดเลก และมความบรสทธสงมาก

ยกตวอยางการสงเคราะหไทเทเนยมไดออกไซดโดยวธซอลเจล เรมจากการน าสารละลายอะซเตตของโลหะทตองการ คอ อะซตลอะซโตน (Acetylacetone) มาละลายดวย เอทานอล โดยใหความรอนหลงจากเยนแลวเตมเตตระบวทลแอมโมเนยมโบรไมด (Tetrabutylammonium bromide) จากนนใชเวลาไมเกน 24 ชวโมง จะเกดเจล โดยขนอยกบปรมาณกรดทใช ภายหลงการเผาแคลไซนจะไดอนภาคขนาดเลกในระดบนาโนเมตร


ตาราง 4.1 เปรยบเทยบขอดและขอเสยของวธตางๆ ในการสงเคราะหไทเทเนยมไดออกไซด

วธการสงเคราะห ขอด ขอเสย 1. ไฮโดรเทอรมอล - ไดผงละเอยด

- สามารถควบคมขนาดของอนภาคได - ไมตองท าการบดและเผาแคลไซน

- ตองควบคม pH อณหภม และความเขมขนของสารทเขาท าปฏกรยาในเครองไฮโดรเทอรมอล

2. การตกตะกอนรวม

- ไดผงละเอยด (ถาอตราการตกตะกอน ต า ในสารละลายทมความเขมขนเจอจาง)

- วธการท าใหแหงและการแคลไซนมกท าใหอนภาคเกาะกน เกดการรวมตวเปนกอน จงตองบด เพอใหไดผงทละเอยดและขนาดอนภาคสม าเสมอ - จ าเปนตองตองแยกตะกอนออกจากสารละลาย

3. ซอล-เจล - ไดผงละเอยดสม าเสมอความบรสทธสง - สามารถควบคมคณลกษณะทางสณฐานวทยา และการแจกแจงขนาดอนภาค

- สารตงตนมราคาสง

4.2.1.4 การสงเคราะหอนภาคดวยเทคนคเฟลมสเปรยไพโรลซส (Flame spray pyrolysis)

เทคนคเฟลมสเปรยไพโรลซส (Flame Spray Pyrolysis: FSP) เปนเทคนคทสามารถผลตอนภาคระดบนาโนทมความบรสทธสง และสามารถทจะควบคมขนาดอนภาคไดภายในขนตอนเดยว เนองจากองคประกอบของเงอนไขทเหมาะสมและสภาวะตางกนในระบบการสงเคราะห ปจจยตางๆ ทใชในการสงเคราะห เชน การเลอกใชชนดของสารเคมตงตน การใชแกสทมความเหมาะสมในการเผาไหมตวท าละลายทมคาเอนโทรปของการเผาไหมทด (Combustion entropy) การควบคมสนามไฟฟาระหวางการสงเคราะห รวมไปถงการเลอกเงอนไขของความเรวในการไหลของสารละลาย ซงจะมผลตอขนาดความสงของเปลวไฟ โดยแตละปจจยตางกมผลท าใหไดขนาด และลกษณะทางสณฐานวทยาของอนภาคทตางกนออกไป


การสงเคราะหใหไดอนภาคทมความบรสทธสง และขนาดของอนภาคมความสม าเสมอ

การสงเคราะหใหไดอนภาคทมความบรสทธสง และมการกระจายตวของอนภาคอยในชวงทแคบนน สามารถเตรยมไดโดยขนอยกบประสทธภาพของระบบเครอง รแอกเตอร (Reactor) ซงระบบรแอกเตอรนถกใชมากในระดบอตสาหกรรมเพอเปนตวควบคมการสงเคราะหผงละเอยดนาโนทสามารถสงเคราะหสารไดหลากหลายชนด ยกตวอยางเชน การเผาไหมของสารประกอบเฮไลด (Halide) และไอของสารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon compounds) เปนตน

กระบวนการเผาไหมของสารละลายตงตนเปนแบบละอองหยด กระบวนการเผาไหมของสารละลายต งตนเปนแบบละอองหยด (Liquid

precursor droplets) ใชเปนหลกการพนฐานในการเตรยมผงละเอยดนาโนของสารประกอบออกไซดในกระบวนการเฟลมสเปรยไพโรลซสสามารถทจะผลตผงละเอยดนาโนของสารประกอบออกไซดไดในระดบ 1-200 นาโนเมตร โดยสามารถใชสารตงตนทมราคาถกและแพงตามความเหมาะสม ทงยงสามารถควบคมอตราการผลตไดสงถง 250 กรมตอชวโมง ทงนปรมาณและอตราของการผลต หรอประสทธภาพทไดนนจะขนอยกบสภาวะเงอนไขในการสงเคราะหโดยตรงในแงของกลไกในการสงเคราะหเพอเปลยนสภาพจากสถานะไอ หรอแกสไปเปนอนภาค (Gas-to-Particle conversion) หรอจากสารละลายละอองหยดไปเปนผงอนภาค (Droplet-to-Particle conversion) เปนกระบวนการพ นฐานในการสงเคราะหอนภาคโดยเทคนคเฟลมสเปรยไพโรลซส

ขนตอนของการกอตวเปนอนภาคนาโน สารละลายตงตนถกท าใหเปนละออง ภายในผนงทมความรอนของรแอกเตอร

ซงละอองหยดเหลานจะผานระบบการระเหยใหกลายเปนไอ (Evaporation) และมกระบวนการทเกยวของหลายขนตอน ดงแสดงในภาพ 4.15 โดยมขนตอนหลกๆ คอ การเกดนวเคลยสผลก (Nucleation) การควบแนน (Condensation) โดยระบบภายในของรแอกเตอร ระดบพลงงานของเปลวไฟจะถกใชในการขบเคลอนการเกดปฏกรยาทางเคมของสารละลายตงตนเปนผลใหเกดลกษณะกลมกอนและสามารถเตบโตเปนอนภาคระดบนาโนไดทบรเวณพนผว หรอเกด


กระบวนการแขงลกษณะทเปนกอน (Coagulation) และเกดในลกษณะเกาะรวมตวกนเปนกอนหยาบ (Coalescence) ทอณหภมสง ซงจะท าใหวสดนาโนเรมเกดจากการกอตวจากแกนกลาง หรอเกดนวเคลยสผลก จากนนจงคอยๆ เกาะกลมและรวมตวกนเกดเปนกลมกอนใหญขน เพอทจะกอตวเปนอนภาค และในทสดกจะเกดการเตบโต (Growth) และมความแนนตวสงขน ตามล าดบ โดยผานกระบวนการซนเตอร (Sintering) ซงการซนเตอร คอ กระบวนการทอนภาค รวมตวเขาดวยกน หรอเกดการเชอมตอกนของแตละอนภาคบรเวณขอบเกรนหรอรอยตอ (Grain) ระหวางทมการใหความรอนแกระบบ ซงมผลท าใหเกดการหดและแนนตวมากขน ดงนนจงเปนกระบวนการทสามารถเพมเสถยรภาพทางอณหพลศาสตรใหกบพนผวไดเปนอยางด

ภาพ 4.15 กระบวนการสงเคราะห และลกษณะเปลวไฟทเกดขนจากการสงเคราะหอนภาคนาโนความบรสทธสง ดวยกระบวนการเฟลมสเปรยไพโรลซส (Kruefu et al., 2014)

Vacuum pump

Cooling water in Cooling water out Trap

Spray flame

Supporting flame

Syringe pump Valve

Mass flow meter

Sheath O2 Flamlet CH4 Flamlet O2 Dispersion O2

Unloaded

ZnO

1.00 mol% Au/ZnO

Au deposition on ZnO

Nucleation, Condensation, Coagulation, Coalescence

Droplets evaporation

Spray formation

Liquid precursor


ภายหลงจากการสงเคราะห อนภาคจะถกเกบไวบนกระดาษกรองชนดพเศษ มสมบตทนความรอนได ท าการตดตงไวในสวนของคอลเลกเตอร (Collector zone) ในการใชเปลวไฟเปนแหลงใหความรอน เนองจากในกระบวนการเฟลมสเปรยไพโรลซสนนการพนของละอองฝอยจากสารละลายตงตนจะมการกอตวของเปลวไฟจากการใชแกสทชวยในการ ตดไฟอยางด คอ มเทน (Methane) และออกซเจน (Oxygen) ซงจะท าใหเกดกระบวนการระเหยและเกดการเผาไหมของละอองฝอย และยงมการใชแกสออกซเจนเพอใชในการกระจายตวของละอองพนฝอย (O2 dispersion) และควบคมใหเกดสภาวะออกซเดชน (O2 sheath gas) อยางสมบรณทสด เชอเพลงทใชรองรบและแกสออกซเจนทงหมดในระบบจะมการแยกการควบคมการไหลอยางชดเจนออกจากชองสงละอองฝอยของสารละลายตงตนละอองฝอย โดยแกสทกชนดจะถกควบคมอตราการไหลโดยตวควบคมการไหลของมวลสาร (Mass flow controller) ในภายหลงละอองฝอยจะถกท าใหเปลยนสถานะไปอยางรวดเรว ดงนนการปลอยสารละลาย ตงตนเขาไปในระบบจะท าใหเกดปฏกรยาไดโดยตรงกบแกสออกซแดนทชนดออกซเจน

ปจจยทมผลตอขนาดอนภาคทสงเคราะหได - ผลขององคประกอบของสารตงตน - อตราการไหลของตวออกซแดนท - ผลของอตราเรวในการฉดสารละลายตงตน - ผลของความเขมขนของสารละลายตงตน - ผลขององคประกอบของเชอเพลง - ผลของสารเจอทเตมลงไป - ผลของสนามแมเหลกภายนอกทใหระหวางการสงเคราะห ขอดของเทคนคเฟลมสเปรยไพโรลซส เทคนคเฟลมสเปรยไพโรลซสเปนเทคนคทชวยเพมประสทธภาพการละลาย

ของสารตงตนทถกพนเขาไปในระบบไดเปนอยางด และมการเผาไหมเชอเพลงไดโดยตรง งายตอเกดปฏกรยาภายในเปลวไฟ และสามารถควบคมอตราเรวการพนสารใหเปนไปตามความเหมาะสมได ท าใหไดอนภาคระดบนาโน


ขอเสยของเทคนคเฟลมสเปรยไพโรลซส เทคนคเฟลมสเปรยไพโรลซสเปนเทคนคทตองใชตนทนสง เนองจากแกสทใช

เปนเชอเพลงในการเผาไหมสารละลาย หรอเรงใหเกดเปลวไฟภายในระบบ เชน แกสออกซเจน และมเทน มราคาทคอนขางสง นอกจากนนอปกรณตางๆ ทใชกมราคาสงกวาอปกรณในเทคนคอนๆ ภาพ 4.16 แสดงการกอตวเปนอนภาคนาโนจากกระบวนการเฟลมสเปรย ไพโรลซส โดยแสดงอณหภมของเปลวไฟขณะอนภาคเกดการกอตว

ภาพ 4.16 การกอตวเปนอนภาคนาโนจากกระบวนการเฟลมสเปรยไพโรลซส (สคนธ, 2550)

4.2.2 การประกอบตวเอง (Self-assembly)

การประกอบตวเอง (Self-assembly) เปนการประกอบตวของโมเลกลหนวยยอยใหวางตวอยางเปนระเบยบไดเอง เพอกอสรางเปนโครงสรางนาโนทมความเสถยร โดยไมเกดการสรางพนธะโควาเลนตระหวางกน หรอกลาวไดวาเปนลกษณะการกอตวขนมาของโครงสรางโมเลกลโดยการจบตวกนของแตละหนวยยอย โดยไมตองอาศยการสรางพนธะโควาเลนตเพอเชอมตอกน แตอาศยนงรานเปนสงชวยในการสงเคราะห และเมอประกอบตวกนเสรจแลวนงรานกจะถกถอดออกไดเอง ซงกระบวนการของการประกอบตวเองไดในธรรมชาต น าไปสโครงสรางทมลกษณะการจดเรยงตวทเปนไปไดหลากหลายรปแบบ ซงจะท าใหเกดปฏกรยาทสามารถก าหนดรปทรงเรขาคณตของโครงสรางโมเลกลสดทายขนมาได ลกษณะโครงสรางท

Vapor

Temp.

Time

Nucleation Coagulation and Condensation

Agglomerate formation by Coagulation

Coagulation, Coalescence


เกดจากการประกอบตวเองไดในธรรมชาตนนมมากมายหลายรปแบบตวอยางเชน การมวนตวของโปรตนซงตองอาศยนงราน เปนตน

4.2.3 การใชกลองสองอะตอม (Scanning probe manipulation) เปนวธการทใชกลอง Scanning probe microscopy (SPM) ในการจดการกบอะตอม กลองจลทรรศนแบบใชแสงโดยทวไปทมใชกนอยางแพรหลายในปจจบน สามารถชวยใหมนษยมองเหนรายละเอยดไดสงสดอยในระดบชวงแสงทมนษยมองเหนได คอ 400-700 นาโนเมตรเทานนหรอทดทสดในชวงระดบความละเอยด 200-400 นาโนเมตร ซงความละเอยดในระดบนไมสามารถทจะท าใหมองเหนอนภาคระดบนาโนได แตเครอง Scanning probe microscope เปนเครองมอทไมใชแสงทมองเหนได แตใชปลายแหลมทมขนาดเลกระดบอะตอมและใชแรงระหวางอะตอมหรอโมเลกล ดงนนจงท าใหสามารถทจะจดการไดอยางละเอยดในระดบอะตอมหรอโมเลกล ท าใหสามารถทจะศกษาสงทมขนาดเลกระดบนาโนเมตรได โดยมความละเอยดอยในระดบมากกวา 0.1 นาโนเมตร



1. การกดกรด. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.eu.lib.kmutt.ac.th/elearning/lms/ filemanager/...33/47211578.doc

2. สมเกยรต ศภเดช. สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาเจาคณทหารลาดกระบง. 2554. ความรทวไปเกยวกบสารกงตวน า. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.kmitl.ac.th/~ks somkia/semi1/6.pdf (2 มกราคม 2555)

3. ชยกานต เลยวหรญ. 2555. การผลตวสดนาโนดวยเทคนคเฟลมสเปรยไพโรลซส. [ระบบออนไลน ]. แหลงทมา http://www.tpa.or.th/publisher/pdfFileDownloadS/tn220B _p33_35.pdf (2 มกราคม 2555)

4. พ เชษฐ อนรกษอดม. 2555. นาโนเทคโนโลย เทคโนโลยในศตวรรษท 21. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.ipst.ac.th/design/document/photoshop/cp01.pdf (2 มกราคม 2555)

5. พศษฐ สงหใจ. 2548. เงอนไขทเหมาะสมในการควบคมการสงเคราะหทอนาโนคารบอนดวยว ธอารคดสชารจ . รายงานวจย ส านกงานกองทนสนบสนนงานวจย . มหาวทยาลยเชยงใหม

6. วรนธชา เครอฟ. 2550. การเตรยมฟลมบางซงคออกไซด โดยเทคนคการสปตเตอรรงแบบ ดซ แมคนตรอน. งานวจยคณะวทยาศาสตร. มหาวทยาลยแมโจ

7. สถาบนนวตกรรมและพฒนาการเรยนร มหาวทยาลยมหดล , 2554. เทคโนโลยการสรางระดบนาโน . [ระบบออนไลน ]. แหลงทมา http://www.atom.rmutphysics.com/ charud/scibook/nanotech/Page/Unit4-4.html

8. (2 มกราคม 2555) 9. สคนธ พานชพนธ. 2550. อนภาคนาโนทสงเคราะหโดยเฟลมสเปรยไพโรลซสและการใช

งาน. สถานบรการวทยาศาสตรและเทคโนโลย มหาวทยาลยเชยงใหม. 200 น. 10. Franssila, S. 2004. Introduction to Microfabrication. John Wiley & Sons Ltd. 422

page.

http://www.eu.lib.kmutt.ac.th/elearning/lms/%20filemanager/...33/47211578.doc

http://www.eu.lib.kmutt.ac.th/elearning/lms/%20filemanager/...33/47211578.doc

http://www.kmitl.ac.th/~ks%20somkia/semi1/6.pdf

http://www.kmitl.ac.th/~ks%20somkia/semi1/6.pdf

http://www.tpa.or.th/publisher/pdfFileDownloadS/tn220B%20_p33_35.pdf

http://www.tpa.or.th/publisher/pdfFileDownloadS/tn220B%20_p33_35.pdf

http://www.ipst.ac.th/design/document/photoshop/cp01.pdf

http://www.atom.rmutphysics.com/%20charud/scibook/nanotech/Page/Unit4-4.html

http://www.atom.rmutphysics.com/%20charud/scibook/nanotech/Page/Unit4-4.html


11. Kammler, H.K., Mädler, L., Pratsinis, S.E. 2001. Flame Synthesis of Nanoparticles. Chem. Eng Technol. 24(6): 583-596.

12. Kruefu, V., Wisitsoraat, A., Phanichphant, S. 2014. Selectivity of hybridized P3HT:Au/ZnO NPs films towards NH3 gas at room temperature, submitted in Sens. Actuators B: Chem.

13. Kruefu, V. 2011. Syntheses of niobium-doped zinc oxide nanoparticles by flame spray pyrolysis and their applications. Ph.D thesis. Chiang Mai University.

14. Pratsinis, S.E. 1996. Flame Synthesis of Nano size Particles: Precise Control of Particlesize, Aerosol Sci, Technol. 27; S153-S154.

15. Stark, W.J, Pratsinis, S.E. 2002. Aerosol Flame Reactors for Manufacture of Nanoparticles. Powder Technol. 126: 103-108.

16. Uplaznik, M. 2002. Introduction to nanotechnology-soft lithography. University of Ljubljana.

17. Yin, H., Wada, Y., Kitamura, T., Kambe, S., Murasawa, S., Mori, H., Sakata T. and Yanagida, S., 2001. Hydrothermal synthesis of nanosizedanatase and rutile TiO2

usingamorphous phase TiO2. J. Mater. Chem. 11: 1694-1703. 18. Zhou, X.F., Chu, D.B. Wang, S.W., Lin, C.J. and Tian, Z.Q. 2002. New route to

prepare nano-crystalline nanocrystalline TiO2 and its reaction mechanism. J. Mater. Chem. 37: 1851-1857.



4.1 สงทสรางขนจากนาโนเทคโนโลยนนสรางขนไดอยางไร

4.2 วธการทโมเลกลชวภาพใชในการสรางโครงสรางระดบนาโนขนมาคอแบบใด และมแนวทางในการด าเนนการอยางไร

4.3 เทคนค Lithography ทมการน ามาใชทางดานนาโนเทคโนโลยมอะไรบาง และแตละเทคนคมหลกการสรางโครงสรางนาโนอยางไร

4.4 หากพจารณากระบวนการสรางในระบบธรรมชาต และโดยการสงเคราะหแลว กระบวนการใดบางทเปนเทคโนโลยการผลตแบบบนลงลาง และแบบลางขนบน

4.5 จงอธบายกระบวนการของ Self assembly ในงานดานนาโนเทคโนโลย

4.6 ในกระบวนการนาโนลโทกราฟฟ ถาตองการสรางรปแบบของชนสวนของวงจร ไมโครชพบนแกวทเคลอบดวยช นของโครเมยม จะเลอกใชกระบวนการนาโน ลโทกราฟฟแบบใด อธบายวธการ

4.7 จงอธบายวธการเตรยมฟลมบางระดบนาโนโดยวธการ Evaporation และ Spin coating วามวธการอยางไร พรอมทงบอกขอด และขอเสยของแตละวธ

4.8 ถาตองการเคลอบฟลมตวเกบประจ จะเลอกใชวธการเตรยมฟลมดวยวธใด เพราะอะไร พรอมทงอธบายวธการเตรยมฟลมดงกลาว

4.9 ถาตองการสงเคราะหอนภาคนาโนโดยใชกระบวนการแบบลางสบน (Bottom up) ทไมตองการควบคม pH และประหยดคาใชจายในการซอสารตงตน จะเลอกใชวธการใด อธบายวธการสงเคราะหดงกลาว

บทท 5 เครองมอ และการวเคราะหทางนาโนเทคโนโลย:

5.1 กลองจลทรรศนกระแสอเลกตรอนแบบหวอานสองกราด (Scanning tunneling microscope, STM) 5.2 กลองจลทรรศนแรงอะตอม (Atomic force microscope, AFM) 5.3 เครองเอกซเรยดฟแฟรกโตมเตอร (X-ray diffractometer, XRD) 5.4 กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (Scanning electron microscope, SEM) 5.5 กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน

(Transmission electron microscope, TEM) 5.6 เครองวดการกระจายพลงงานของรงสเอกซ

(Energy dispersive spectrometer, EDS) 5.7 เครองวดพนทผว (Surface area analyzer, SAA) 5.8 เครองยว-วสเบล สเปกโทรโฟโตมเตอร

(UV-Vis spectrophotometer, UV-Vis) 5.9 เครองโฟโตลมเนสเซนซสเปกโทรมเตอร (Photoluminescence spectrometer, PL) 5.10 เครองอนฟราเรดสเปกโทรโฟโตมเตอร

(Infrared spectrophotometer, IR) 5.11 เครองรามานสเปกโทรมเตอร (Raman spectrometer) 5.12 เครองวเคราะหเชงความรอน (Thermal analyzer, TA)


94 บทท 5 : เครองมอ และการวเคราะหทางนาโนเทคโนโลย

5.1 กลองจลทรรศนกระแสอ เลกตรอนแบบหวอาน สองกราด (Scanning tunneling microscope, STM)

กลองจลทรรศนกระแสอเลกตรอนแบบหวอานสองกราด (Scanning tunneling microscope) หรอเรยกโดยยอวา STM เปนเครองมอทสามารถมองเหนภาพในระดบอะตอมได จากภาพ 5.1 แสดงวงจรการท างานของ STM โดยท างานจากการใชความตางศกยและกระแสไฟฟาบงคบปลายเขมทแหลมมาก หวเขมเปนหวอานขนาดเลกมากทใชสองกราด (สแกน) บนพนผวของวสดทเปนตวน าไฟฟา และวดกระแสไฟฟา แลวสงสญญาณไฟฟาเพอสรางเปนภาพของพนผว STM สามารถเคลอนยาย และจดเรยงอะตอม ใหอยบนพนผวตามต าแหนงทตองการได ในป ค.ศ. 1989 ดร.ดอน ไอเกลอร (Don Eigler) นกฟสกสจากบรษทไอบเอมจ ากด เปนคนแรกทสาธตการน าอะตอม 35 อะตอม ของแกสซนอน (Xenon) มาเรยงบนผวของโลหะนเกล (Nickel) เปนตวอกษร IBM ท เลกทสดในโลก ภาพ 5.2 แสดงการเคลอนยายอะตอมโดยใชกลอง STM

5.1.1 การสรางภาพและการเคลอนยายอะตอมของกลอง STM การสรางภาพอะตอม (Atom imaging mode) เปนการใชหวเขม STM ทแหลมมากในการสองกราดไปบนพนผวของโลหะทม

อะตอมวางอย การบงคบปลายเขมท าไดโดยใชความตางศกย และกระแสไฟฟาในการกระตนผลกเซรามกสทยดตดกบหวเขมใหหดหรอคลายตว โปรแกรมคอมพวเตอรสามารถน ามาใชในการใสขอมลหรอตวแปรทตองการควบคม ตวอยางเชน พนทในการสแกน คาความตางศกย และกระแสไฟฟา เปนตน ในขณะการสองกราดสญญาณไฟฟาจะถกน ามาสรางเปนภาพจ าลองของพนผว

การเคลอนยายอะตอม (Atom manipulation mode) เปนการใชหวเขมในการหยบอะตอมและเคลอนยายไปวาง ณ จดทตองการเคลอนยาย

อะตอม ท าไดโดยควบคมความตางศกย และกระแสไฟฟา เพอควบคมปลายหวเขมของ STM เพอผลก และเคลอนยายอะตอมไปวาง ณ ต าแหนงทตองการ

บทท 5 : เครองมอ และการวเคราะหทางนาโนเทคโนโลย 95

ภาพ 5.1 วงจรการท างานของกลอง STM (จตพร, 2554)

ภาพ 5.2 การเคลอนยายอะตอมโดยกลองSTM (Atkins and Jones) ยกตวอยางการใชนาโนเทคโนโลยในการจดเรยงคารบอนมอนอกไซด (CO) จ านวน

50 โมเลกลเขยนลงบนผวของโลหะทองแดง (Cu) เปนพระภรมาภไทยยอ ภ.ป.ร. เพอเทดพระเกยรตพระบาทสมเดจพระเจาอยหวฯ ในฐานะทเปนพระบดาแหงเทคโนโลยไทย มขน าดความยาว 14 นาโน เมตร และความ ส ง 7 นาโน เมตร ตวอกษร ภ เข ยนดวย

หว Tip

90% ของกระแส 95% ของกระแส

P

V

Tip Tip

การสรางภาพอะตอม การเคลอนยายอะตอม


คารบอนมอนอกไซด 17 โมเลกล ตวอกษร ป เขยนดวยคารบอนมอนอกไซด 18 โมเลกล และ ตวอกษร ร เขยนดวยคารบอนมอนอกไซด 15 โมเลกล

5.1.2 ปจจยทมผลในการเคลอนยายอะตอม ปจจยทมผลในการเคลอนยายอะตอม เชน ปลายหวเขม อปกรณทใชตองมความแหลม

อยางยงยวด ผวโลหะทวางอะตอมตองมความสะอาดสงปราศจากสงปนเปอน เปนตน

5.2 กลองจลทรรศนแรงอะตอม (Atomic force microscope, AFM) กลอง จลทรรศน แรงอะตอม ห รอ เอ เอฟ เอม (Atomic force microscope, AFM)

หลกการท างานของเครองมอชนดนคอ การใชอปกรณตรวจหรอโพรบ (Probe) ทมปลายแหลมเลกซงตดอยกบคานทมการโกงงอตวไดดวยแรงกระท าทปลายคาน เมอลากปลายแหลมนไปบนพนผวของวสดทตองการศกษา แรงปฏกรยาในแนวตงฉากกบพนผวทเกดขนกบปลายแหลมจะท าใหคานโกงงอตว และสามารถระบใหทราบถงลกษณะพนผวของวสดนนๆ ไดวามความสงต าในบรเวณใดบาง เมอน าเอาแรงทเกดขนทจดตางๆ นมาประกอบกนกจะไดเปนภาพของพนผวของวสดทศกษา จากภาพ 5.3 แสดงแผนภาพการท างานของกลอง AFM

ภาพ 5.3 แผนภาพการท างานของกลอง AFM (วรฬ, 2535)

ล าแสงเลเซอร ตวตรวจจบ

คาน สแกนแบบเสน

ชนงานตวอยาง อะตอมของพนผว

อะตอมของปลาย Tip


วธการท างานของกลอง AFM แบงเปน 2 วธ คอการสมผสแบบตอเนอง ไดแก การสมผสพนผวพรอมกบการลากปลายแหลมไปบนพนผวนนๆ ขอเสยของวธนคอ ท าใหเกดแรงตานขนในแนวของการเคลอนทซงขนานกบพนผว ท าใหคานเกดการโกงงอตวโดยทไมไดเกดจากแรงกระท าทปลายเนองจากแรงในแนวตงฉากเพยงอยางเดยว จงท าใหขอมลความสงของพนผวทวดไดผดไปจากความสงทแทจรง อกวธหนงเปนการสมผสแบบไมตอเนอง โดยใหสมผสกบพนผวเปนระยะเวลาสนๆ ในแนวตงฉากกบพนผว คลายกบการใชปลายนวเคาะโตะเปนจงหวะๆ ดวยลกษณะการสมผสแบบนแรงตานในแนวตงฉากจะไมเกดขน แตเนองจากปลายแหลมสมผสพนผวเปนระยะสนๆ จงท าใหเกดการสนของคานซงสงผลใหคาสญญาณวดทไดไมคงท

AFM เปนอปกรณทใชสงเกต และจดการเคลอนยายอะตอมของวสดขนาดนาโนเมตรไดทงวสดทเปนตวน าและฉนวน สามารถใชงานไดทงในสงแวดลอมทเปนสญญากาศ อากาศ แกส และของเหลว สวนประกอบทส าคญของ AFM คอ คานทท าจากวสดทสามารถเปลยนแปลงคาประจไดเมอถกแรงกระท าทปลายคาน จะมปลายเขมทประกอบดวยอะตอม 1 ตว เมอเลอนคานใหปลายเขมอยหางจากผววสดระหวาง 0-100 นาโนเมตร แรงกระท าระหวางอะตอมจะดงคานและสามารถวดระยะหรอใชเคลอนยายอะตอมทละตว

ตวอยางภาพฟลมบางของพอลเมอรผสมระหวาง poly(3-hexylthiophene) (P3HT) และ [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) ทไดจากกลอง AFM ดงภาพ 5.4 จากภาพจะสงเกตเหนวามระดบความเขมของสไมเทากนอย 2 ส ซงบงบอกไดถงระดบความสงต า (Roughness) ของพ นผว โดย AFM มสมบตพ เศษ ทสามารถใชว ดระดบความ ส งต า (Roughness) ของพนผวทหลากหลาย ทมระดบความสงต าไมเกน 4 ไมโครเมตร และขนาดภาพสแกนใหญทสดไมเกน 100 ไมโครเมตร

ภาพ 5.5 แสดงโครงสรางจลภาคของฟลมซลกอนทเตรยมจากวธการตกสะสมไอสารดวยวธการทางเคม ขนาดของเกรนวเคราะหจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (TEM) และความขรขระของพนผววเคราะหจากกลองจลทรรศนแรงอะตอม (AFM) ซงขนาดเกรนของทเลกลงกจะเปนผลใหความขรขระของพนผวฟลมมคานอยลง


ภาพ 5.4 ภาพฟลมบางของพอลเมอรผสมระหวาง Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) และ [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) ทไดจากกลอง AFM (Kruefu, 2011)

ภาพ 5.5 โครงสรางจลภาคของฟลมซลกอนทเตรยมจากวธการตกสะสมไอสารดวยวธการทางเคม ขนาดของเกรนวเคราะหจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (TEM) และความขรขระของพนผววเคราะหจากกลองจลทรรศนแรงอะตอม (AFM) (Franssila, 2004)

300 nm

20 nm

20 nm 8 nm

30 nm 200 nm 750 nm

1.25 2.5 5 7.5 8.6

Surface roughness (Sq)

Sq= 40 nm Sq= 18 nm Sq= 17 nm Sq= 16 nm Sq= 4 nm

TEM:

25 nm

(SiH4)/( SiH4+H2) (%)

AFM:

Size and shape of the grains


5.3 เครองเอกซเรยดฟแฟรกโตมเตอร (X-ray diffractometer, XRD) เครองเอกซเรยดฟแฟรกโตมเตอร (X-ray diffractometer) เปนเครองมอทใชในการ

วเคราะหทางเคมโดยไมท าลายตวอยาง (Non-destructive analysis) สามารถวเคราะหธาตเดยวๆ ทละธาต (Sequential) หรอวเคราะหหลายธาตพรอมกน (Simultaneous) โดยอาศยหลกการเลยวเบนของรงสเอกซ

5.3.1 สมบตของรงสเอกซ รงสเอกซถกคนพบโดยเรนแกน (Röntgen) เมอป พ.ศ. 2438 จงเรยกรงสนวา รงส

เรนเกน (Röntgen ray) รงสเอกซเปนรงสทมสมบตเปนคลนแมเหลกไฟฟา (Eletromagnetic radiation) เกดขนจากการปลดปลอยพลงงานสวนเกนภายหลงการเกดอนตรกรยาทางนวเคลยรของอะตอมของธาตทบรเวณชนโคจรของอเลกตรอน (Electron shell) มความยาวคลนในชวงประมาณ 0.0001-100 องสตรอม ในแถบสเปกตรมคลนแมเหลกไฟฟา

5.3.2 กระบวนการเกดรงสเอกซ รงสเอกซเกดไดจากสภาวะการเปลยนระดบพลงงานของอะตอม ทงทเกดขนเองตาม

ธรรมชาต จากการสลายตวของสารกมมนตรงส และทมนษยผลตขน กลาวคอเมออะตอมไดรบการกระตน (Excite) ใหเปลยนระดบพลงงาน การลดระดบพลงงานสสภาวะปกตโดยมวลของอะตอมไมเปลยนแปลง เปนการปลดปลอยพลงงานสวนเกนในรปคลนแมเหลกไฟฟาหรอ โฟตอนออกมา คลนแมเหลกไฟฟาทปลดปลอยออกมาน เรยกวา รงสเอกซ

รงสเอกซแบงออกเปน 2 ชนด ตามกระบวนการของการปลดปลอยพลงงานสวนเกนจากอะตอมบรเวณชนโคจรอเลกตรอนคอ

- รงสเอกซเฉพาะตว (Characteristic X-ray) ร ง ส เอ ก ซ เฉ พ าะ ต ว ม ล ก ษ ณ ะ เป น ร ง ส เอ ก ซ ท ม พ ล ง ง าน เด ย ว

(Monochromatic) เพราะเกดจากการลดระดบพลงงานทแนนอน เกดขนเมออเลกตรอนหรออนภาคทมประจอนๆ หรอโฟตอนพลงงานสงเคลอนทเขาชนอเลกตรอนในวงโคจรชนในของอะตอม เชน ชน K หรอ L แลวถายโอนพลงงานใหอเลกตรอน อเลกตรอนในชนโคจรทไดรบพลงงานเพมขนมากกวาพลงงานยดเหนยวของชนโคจร (Binding energy) จะหลดจากวงโคจร เกดทวางของอเลกตรอนในชนโคจรนน ท าใหอะตอมอยในสภาวะทถกกระตน และจะลด


ระดบพลงงานลงสสภาวะปกตในชวงระยะเวลาสน โดยอเลกตรอนของวงโคจรชนถดออกไปจะลดระดบพลงงานลงมาใหเทากบพลงงานยดเหนยวของวงโคจรชนใน ดวยการปลอยพลงงานสวนเกนในรปของรงสเอกซออกไป แลวเขามาแทนทวงโคจรชนใน พลงงานสวนเกนนจะมพลงงานเทากบความตางระดบพลงงานยดเหนยวเฉพาะชนโคจรของอเลกตรอน และเฉพาะชนดของธาตนนๆ จงมพลงงานเฉพาะคา ดงนน จงเรยกรงสเอกซชนดนวา รงสเอกซเฉพาะตว จากภาพ 5.6 แสดงการเกดรงสเอกซเฉพาะตว

ภาพ 5.6 การเกดรงสเอกซเฉพาะตว (ก) อนตรกรยาของอะตอม (ข) การเกดรงสเอกซเฉพาะตวทระดบพลงงานของชนวงโคจรตางๆ (ศรไฉล และ สรนทร, 2543)

- รงสเอกซตอเนอง (Continuous X-ray) รงสเอกซตอเนองมลกษณะเปนรงสเอกซทมพลงงานตอเนอง เกดจาก

อเลกตรอนพลงงานสงเคลอนเขาสสนามคลอมบ (Coulomb field) บรเวณใกลนวเคลยส ความหนาแนนของสนามไฟฟาสถตท าใหอเลกตรอนสญเสยพลงงานอยางรวดเรวและปลอยรงสเอกซออกมา เรยกวา Bremesstrahlung หรอ Braking radiation กอนทอเลกตรอนปฐมภมจะท าอนตรกรยากบสนามไฟฟาบรเวณใกลนวเคลยสทเกดจากประจของอะตอม อเลกตรอนจะสญเสยพลงงานบางสวนใหกบพนผวของวตถในชนความลกตางๆ อนเนองจากการกระเจงของอเลกตรอน พลงงานของรงสเอกซทเกดขนจงมคากระจายตอเนอง จากพลงงานต าสดถงสงสดของอเลกตรอนปฐมภม ถาอเลกตรอนปฐมภมมพลงงานสงพอทจะกระตนใหอเลกตรอนในวง

Primary electron, Ei

Secondary electron, ES= Ei- EK

Characteristic electron, EX= EL- EK

N

M

L

K Kα

Lβ

Mα

Lα1 Lα

Kβ

Atomic level

Energy sublevel


โคจรชนในของอะตอมหลดออกได กจะเกดรงสเอกซเฉพาะคาซอนอยกบสเปกตรมของรงสเอกซตอเนองเสมอ จากภาพ 5.7 แสดงการเกดรงสเอกซตอเนอง

ภาพ 5.7 การเกดรงสเอกซตอเนอง (ก) อนตรกรยาของอะตอม (ข) การกระเจงของอเลกตรอนปฐมภมกอนเกดอนตรกรยากบอะตอม (ศรไฉล และ สรนทร, 2543)

5.3.3 การเลยวเบนของรงสเอกซ เมอใหล าแสงของรงสเอกซทไดจากหลอดผลตรงสเอกซ ผานเขาไปในผลกของแขง

รงสเอกซจะชนเขากบอะตอมทเปนองคประกอบของผลก แลวท าใหรงสเอกซนนเกดการเลยวเบนขน โดยมความเขมตางๆ กน และมมมตางๆ กน ซงสามารถน าขอมลเหลานไปใชในการวเคราะหโครงสรางผลกได

การเลยวเบนของรงสเอซเกดขนเมอรงสเอกซทมความยาวคลนเดยว (Monochromatic) ผานเขาไปในผลกดงแสดงในภาพ 5.8 ล าแสงรงสเอกซทตกกระทบเสนทขนานกนตามแนวราบ ซงแสดงถงชดของระนาบผลกทขนานกนดวย Miller indices (h k l) เมอล าแสงรงสเอกซทมความยาวคลนเดยว ซงมความยาวคลน ตกกระทบกบระนาบ แลวล าแสงทสะทอนออกมาไมอยในเฟส หรอไมเสรมกน ดงแสดงในภาพ 5.8 (ก) จะเกดการรบกวนกนและหกลางกนแสดงวารงสเอกซจะไมเกดการเลยวเบน แตถารงสเอกซทเลยวเบนออกมาอยในเฟสเดยวกนจะกอใหเกดการเสรมกน ดงแสดงในภาพ 5.8 (ข)

Primary electron Primary electron beam

Continuous X-ray Continuous X-ray

Metter Surface depth

K L

M N


จากภาพ 5.8 (ค) ล าแสงรงสเอกซท 1 และ 2 ตกกระทบกบระนาบของอะตอม เมอเกดการเลยวเบนและอยในเฟสเดยวกน ล าแสงทตองเดนทางเพมขนจะเทากบ MP+PN ซงจะมคาเทากบจ านวนเตมคณดวยความยาวคลน นนคอ

n = MP + PN …………… (5.1) เมอ n = 1, 2, 3,… เรยกวา อนดบของการเลยวเบน

MP = PN = dhkl sin …………… (5.2)

เมอ dhkl = Interplanar spacing ของ Crystal planes ซงมคา Indices เปน hkl สภาวะท

เกด Constructive interference

n = 2dhkl sin …………… (5.3)

สมการ 5.3 เรยกวา Bragg’s law ซงใหความสมพนธระหวาง Diffracted beam ของ X-rays ทมความยาวคลน กบ Interplanar spacing dhkl ของระนาบผลก (Crystal planes) โดยทวไป n = 1 ดงนนสมการของ Bragg’s law จงสามารถเขยนไดเปน

= 2dhkl sin …………… (5.4)

ภาพ 5.9 แสดงกราฟตวอยางรปแบบการเลยวเบนของรงสเอกซบนผลกของอนภาค

ซงกออกไซดทเจอดวยทอง และฟลมบางผสมของพอลเมอร (Poly (3-hexylthiophene), P3HT) กบอนภาคซงกออกไซดทเจอดวยทอง บนแผนอลมนาทท าขวไฟฟาดวยทอง


(ก)

(ข)

(ค)

ภาพ 5.8 การเลยวเบนของรงสเอกซบนระนาบ (hkl) ของผลก (ก) ไมเกดการเลยวเบนของรงสเอกซ (ข) เกดการเลยวเบนของรงสเอกซทท ามมตกกระทบกบระนาบเปนมม (ค) การเกดคลายกบ (ข) โดยใชเสนตรงแทนคลน (ศรไฉล และ สรนทร, 2543)

No reflected X-ray

Reflected X-ray

Reflected X-ray

Incident X-ray

Incident X-ray

Incident X-ray

2

hkl planes

hkl planes

hkl planes

Ray 1

Ray 2

O

M N P


ภาพ 5.9 การเลยวเบนของรงสเอกซบนผลกของอนภาคซงกออกไซดทเจอดวยทอง (Kruefu, 2014)

5.3.4 การวเคราะหผลจากกราฟการเลยวเบนของรงสเอกซ ผลจากการวเคราะหกราฟการเลยวเบนของรงสเอกซ ท าใหทราบเกยวกบโครงสราง

ผลก (Crystal structure) ความเปนผลกมากหรอนอย ขนาดของผลก องคประกอบของสารทงในเชงคณภาพวเคราะห (Qualitative analysis) และเชงปรมาณวเคราะห (Quantitative analysis)

- การวเคราะหโครงสรางผลก (Crystal structure) อาศยการเลยงเบนของรงสเอกซ ซงมความแตกตาง และมลกษณะเฉพาะของ

แตละโครงสรางผลกของสารนนๆ ซงขนกบการจดเรยงตวของอะตอมภายในผลก ดงน น รปแบบการเลยวเบนของรงสเอกซจงใชเปนตวบงบอกไดวาสารตวอยางนนมโครงสรางผลกแบบใด ซงจากกราฟทไดเปนกราฟความสมพนธระหวางคาความเขมของรงสเอกซกบมม 2 ซงจากขอมลทไดสามารถน าไปวเคราะหเพอตรวจสอบโครงสรางผลกของสารได โดยเทยบกบฐานขอมลมาตรฐาน Joint Committee Powder Diffraction Standards (JCPDS)

ตวอยางการตรวจสอบโครงสรางผลกของผงทงสเตนออกไซดบรสทธ (WO3) ทผานการสงเคราะหโดยวธไฮโดรเทอรมอลทอณหภม 200 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2 4 และ 6 ชวโมง ดงแสดงในภาพ 5.10-5.12

Au/ZnO

30 40 50 60 70 80 2 (degree)

In

tensit

y (a.u

.)

(10

0) (00

2) (10

1)

(200)

(102)

(110)

(103)

(220)

(200)

(112)

(201)

(004)

(202)

(311)

Au


ภาพ 5.10 การเลยวเบนของรงสเอกซของทงสเตนออกไซด ทผานการเตรยมทอณหภม 200 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2 ชวโมง (ปณฑตา, 2556)


Inten

sity (

a.u.)

Inten

sity (

a.u.)

2 (degree)

2 (degree)

200 C 2 h

200 C 4 h

10 20 30 40 50 60 70 80

10 20 30 40 50 60 70 80

Na2WO4.H2O

Na2WO4.H2O



จากรปแบบการเลยวเบนของรงสเอกซทได พบวาทเวลา 2 และ 4 ชวโมง ยงไมเกดอนภาคผงทงสเตนออกไซดทบรสทธ เนองจากพบพคแปลกปลอมทต าแหนง 2 เทากบ 18.145 องศา ในขณะทเวลา 6 ชวโมง อนภาคผงนาโนทงสเตนออกไซดมความบรสทธมากขน เนองจากพคแปลกปลอมนนหายไป ทงนพคแปลกปลอมทเกดขนอาจเปนสารตงตนทเหลออย หรอเกดสารใหมขน โดยสามารถตรวจสอบไดโดยการเทยบต าแหนงมม 2θ ของพคทเกดขนกบต าแหนงมม 2θ ทความเขมแสงสงสดของสารทคาดวาจะเปนในฐานขอมลมาตรฐาน

Inten

sity (

a.u.)

2 (degree)

200 C 6 h

10 20 30 40 50 60 70 80


ภาพ 5.13 การเลยวเบนของรงสเอกซของทงสเตนออกไซด ทไดจากการสงเคราะหโดยวธ ไฮโดรเทอรมอล ผานการใหความรอนทอณหภม 200 เซลเซยส เปนเวลา 2, 4 และ 6 ชวโมง ตามล าดบ (ปณฑตา, 2556)

จากภาพ 5.13 เมอน าขอมลรปแบบการเลยวเบนของทงสเตนออกไซดทเตรยมโดยเทคนคไฮโดรเทอรมอล ทผานการเตรยมทอณหภม 200 เซลเซยส เปนเวลานาน 6 ชวโมง เทยบกบฐานขอมล JCPDS (ภาพ 5.14) พบวาต าแหนงการเลยวเบนหลกขางตนใกลเคยงกบการเลยวเบนหลกใน JCPDS file หมายเลข 85-2459 ซงมต าแหนง 2θ เทากบ 13.95, 23.197 24.284, 27.169, 28.133, 33.832, 36.756, 47.419, 49.755 แล ะ 55.582 ท าให ท ร าบ ว าส าร

6 h

4 h

2 h

JCPDS file NO. 13-0413 (Na2WO4.H2O)

JCPDS file NO. 02-0818 (NaCl)

JCPDS file NO. 85-2459 (WO3)

Inten

sity (

a.u.)

2 (degree) 10 20 30 40 50 60 70 80

Na2WO4.H2O


ตวอยางทสงเคราะหได เปนทงสเตนออกไซดทมโครงสรางผลกเปนแบบเฮกซะโกนอล (Hexagonal structure)

ภาพ 5.14 JCPDS file หมายเลข 85-2549 ของ WO3 (ปณฑตา, 2556) - การวเคราะหความเปนผลก (Crystalline)

การวเคราะหความเปนผลก พจารณาจากความแหลมสงของ และฐานแคบของพค สารตวอยางมลกษณะเปนพคแหลมสงและฐานแคบจะมความเปนผลกสงกวาสารตวอยางมลกษณะเปนพคเตยและฐานกวาง


- การค านวณหาขนาดของอนภาค การค านวณขนาดของอนภาคจากสมการของเชยรเรอร (Sherrer’s equation)

ซงอาศยขอมลทไดจากการเลยวเบนของรงสเอกซจากพคทสงทสด ทงมมการเลยวเบน ( ) และความกวางของกราฟการเลยวเบนส าหรบการค านวณ ซงมความสมพนธดงสมการ (5.5)

cos

KD = …………… (5.5)

เมอ D คอ ขนาดของอนภาค (nm) K คอ คาคงท ขนอยกบขนาดของอนภาค ในทางทฤษฎพสจนไดวา

0.89 ≤ k ≤ 1.39 λ คอ ความยาวคลนของรงสเอกซทใช (กรณ CuK มคาเทากบ 0.154065 nm)

คอ ความกวางทความสงครงหนงของพคทสงทสด (Full Width at Half Maximum; FWHM) คอ มมการเลยวเบน


ตวอยางท 5.1 จงค านวณหาขนาดของอนภาคของสารตอไปน เมอปรากฏวามพคหลกทสงทสดดงแสดงในภาพ

วธท า

จากสมการ

cos

KD =

เมอ lowhigh 22 −=

909.27232.28 −=

323.0= องศา

เปลยนหนวยเปนเรเดยน 310655.5180

323.0 −== เรเดยน

จากคา 085282 .θ = เพราะฉะนน 0425.142

085.28==

แทนคาลงในสมการ

cos

KD =

)0425.14cos()10655.5(

)1541.0)(89.0(3−

=D

97.24=D nm ตอบ

27.2 28.20 28.8

27.909 28.232

28.085


5.4 กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (Scanning electron microscope, SEM) กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) ใชศกษาลกษณะโครงสรางของ

พนผวของตวอยาง โดยจะใหภาพแบบสามมต (Stereographic image) โดยทวไปกลองจลทรรศนธรรมดา (Optical microscope) มความสามารถในการแจกแจงรายละเอยด (Resolution) 0.2 ไมโครเมตร และมก าลงขยายสงสดนอยกวา 2,000 เทา ดวยขดจ ากดของความสามารถในการแจกแจงและก าลงขยาย กลองจลทรรศนอ เลกตรอน (Electron microscope) จงเขามามบทบาทส าคญ ซงมอย 2 ชนดคอ กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน (TEM) และกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) โดยเฉพาะ SEM สามารถใชศกษาตวอยางไดกวางกวา ครอบคลมตวอยางทมขนาดไดตงแต 1 เซนตเมตร จนถง 100 นาโนเมตร

โครงสรางพนฐานและองคประกอบทท าใหเกดภาพจาก SEM จะคลายกบกลองจลทรรศนแบบธรรมดา (Microscope) แตกลไกลการท างานจะแตกตางกน กลอง SEM มแหลงก าเนดแสงเปนอเลกตรอน (Electron gun) ทถกเรงดวยสนามไฟฟาในสญญากาศ เพอใหอเลกตรอนมพลงงานสงและมพฤตกรรมคลายคลนแสง สามารถบงคบใหคลนอเลกตรอนมขนาดความยาวคลนทสนมากๆ ได เชน ถาใชความตางศกยไฟฟาเรงอเลกตรอน 20 กโลโวลต จะไดล าแสงอเลกตรอนทมความยาวคลนประมาณ 0.08 องสตรอม เปนตน เลนสรวมแสง (Condenser lens) และเลนสใกลวตถ เปนระบบเลนสสนามแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic lens) ซงควบคมโดยระบบไฟฟา ท าหนาทในการบบล าแสงอเลกตรอนใหเปนรปกรวย (Electron probe) ทเลกทสดเทาทจะเปนไดใหโฟกสลงบนผวตวอยาง จากนนล าแสงรปกรวยจะถกบงคบดวยสนามแมเหลกไฟฟาชดควบคมการสองกราด (Scanning coil) ใหเคลอนไปบนผวชนตวอยาง ในแนวแกนนอนและแนวแกนตง เมอล าแสงรปกรวยเคลอนไปบนผวตวอยางจะถกตรวจจบโดยอปกรณตรวจวดสญญาณ (Collector and scintillator) ซงท าหนาทเปลยนสญญาณอเลกตรอนใหเปนสญญาณไฟฟา แลวผานไปตามทอน าแสง (Light pipe) ไปยงเครองขยายแสง (Photomultiplier tube) สงตอไปยงหลอดภาพ ปรากฏเปนสญญาณภาพขนบนจอรบภาพ (Cathode ray tube, CRT) ล าแสงทกราดเปนเสนบนจอรบภาพจะเคลอนไปในทศทาง และเวลาเดยวกบล าแสงอเลกตรอนทสองกราดไปบนผวตวอยาง ซงถกควบคมดวย


ระบบไฟฟา โดยก าลงขยายของ SEM ขนอยกบอตราสวนระหวางขนาดความกวางของเสนสองกราดบนจอรบภาพ (L) กบขนาดความกวางของเสนสองกราดบนพนผวตวอยาง (I) ภาพ 5.15 แสดงภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) ของทงสเตนออกไซด (WO3) ทมลกษณะเปนรปแทงขนาดนาโน (nanorod)

ภาพ 5.15 ภาพจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) ของแทงนาโนทงสเตนออกไซด (ปณฑตา, 2556) 5.5 กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน (Transmission electron microscopes, TEM)

กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน (TEM) เปนกลองจลทรรศนอเลกตรอนทใชศกษาตวอยางบางชนดซงเตรยมขนโดยวธพเศษเพอใหล าอเลกตรอนผานได การสรางภาพท าไดโดยการตรวจวดอเลกตรอนททะลผานตวอยาง กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผานใชส าหรบศกษารายละเอยดขององคประกอบภายในของตวอยาง เชน องคประกอบภายในเซลล เปนตน ซงจะใหรายละเอยดสงกวากลองจลทรรศนชนดอนๆ เนองจากมก าลงขยาย และประสทธภาพในการแจกแจงรายละเอยดสงมาก


การเกดภาพเกดจากการใชล าแสงอเลกตรอนทถกเรงจากขวแคโทดทไดรบความรอนในสภาวะสญญากาศ ผานไปยงระบบคอนเดนเซอร (Condenser system) ซงประกอบดวยขดลวดแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic coils) 4 ชด โดยขดลวดชดแรกท าหนาทใหอเลกตรอนผานไปยงดานลางของชนตวอยาง ชดทสองท าหนาทเสมอนเลนสใกลวตถ เพอรวบรวมอเลกตรอนใหผานหรอกระจายอยรอบๆ ชนตวอยาง จากนนอเลกตรอนจะผานไปยงขดลวดชดทสามท าหนาทในการขยายภาพ โดยภาพเกดขนจากการทอเลกตรอนผานไปยงชนตวอยาง และมการโฟกสภาพไปยงจอรบภาพ และขดลวดชดสดทายจะท าหนาทเสมอนเลนสใกลตา ซงภาพทไดสามารถบนทกลงบนแผนฟลม หรอท าการแปลงสญญาณภาพลงสจอคอมพวเตอรได ซงภาพทไดเรยกวา Electron micrograph (EM)

ภาพ 5.16 ภาพจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน (ก) CoP nanorods (ข) NiS nanoprisms (ค) BaCO3 nanowires และ (ง) Cubic-shaped gold particles (Franssila, 2004)

BaCO3 nanowires

NiS nanoprisms

CoP nanorods

Cubic-shaped gold particles

(ก)

(ค)

(ข)

(ง)


ภาพทไดจากกลอง TEM จะใหภาพลกษณะ 2 มต ซงสามารถระบลกษณะรปรางไดวาเปนแบบใด ดงแสดงตวอยางในภาพ 5.16

นอกจากนภาพทไดจาก TEM ยงสามารถบอกลกษณะการเกาะตวของอนภาคของสารทเจอลงไปในอนภาคหลก ดงภาพ 5.17 แสดงอนภาคทงสเตนออกไซดทเจอดวยไนโอเบยมทความเขมขน 1.00 เปอรเซนโดยมวล ณ ก าลงขยาย 20000, 100000 และ 40000 ตามล าดบ จะเหนไดชดเจนวามลกษณะของอนภาคทแตกตางกน คอ เปนรปแทง และอนภาคทเกาะอยทผว ซงสามารถคาดไดวาอนภาคทเปนรปแทงนาจะเปนอนภาคทงสเตนออกไซด และอนภาคทเกาะอยทผวนาจะเปนไนโอเบยมทเจอลงไป ทงนควรใชเทคนค EDS เพอยนยนผลทแนชด

ภาพ 5.17 ภาพจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน (ก) ทงสเตนออกไซด (ข-ง) อนภาคทงสเตนออกไซดท เจอดวยไนโอเบยมทความเขมขน 1.00 เปอรเซนโดยมวล ณ ก าลงขยาย 20000, 100000 และ 40000 ตามล าดบ (Franssila, 2004)

20 nm

(ก) (ข)

(ค) (ง)

Nb

Nb

Nb


5.6 เครองวดการกระจายพลงงานของรงสเอกซ (Energy dispersive spectrometer, EDS) เครองวดการกระจายพลงงานของรงสเอกซ ใชในการวเคราะหหาองคประกอบของ

ธาตในของแขงและของเหลว โดยการฉายดวยรงสเอกซ ซงสามารถแสดงผลไดหลายลกษณะ ดงน คอ การกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบสเปกตรม (EDS-spectrum mode) การกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบเสน (EDS-line spectrum mode) และการกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบกลมจด (EDS-dot mapping mode)

ภาพ 5.18 ภาพจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด และการวเคราะหการกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบสเปกตรม (EDS-spectrum) (ก) อนภาคทงสเตนออกไซด (ข) อนภาคทงสเตนออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม (ปณฑตา, 2556)

(ก)

(ข)


ตวอยางการวเคราะหดวยเทคนค EDS ภาพ (ก) และ(ข) แสดงสเปกตรมทไดจากการวเคราะหธาตทเปนองคประกอบ จากเทคนคการกระจายพลงงานของรงสเอกซ เพอยนยนการมอยจรงของไนโอเบยม เมอเจอไนโอเบยมลงในทงสเตนออกไซด แสดงในภาพ 5.18

ภาพ 5.19 ภาพจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด และการวเคราะหการกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบเสน (EDS-line spectrum) ของฟลมทงสเตนออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม (ปณฑตา, 2556)

20 m

Nb

W Al

O Au


ภาพ 5.19 แสดงสเปกตรมทไดจากเทคนคการกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบเสนเพอวเคราะหธาตทเปนองคประกอบของช นฟลมทงสเตนออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม ภายหลงจากการเตรยมดวยวธการหมนเหวยงบนชนอลมนาทท าขวไฟฟาดวยทอง (Au) ตามภาคตดขวาง

ภาพ 5.20 ภาพจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) และการวเคราะหการกระจายพลงงานของรงส เอก ซแบบแบบกลมจด (EDS-dot mapping mode) ของฟลม ซงกออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม (มณฑรา, 2555)

ภาพ 5.20 แสดงกลมจดอเลกตรอนทไดจากเทคนคการกระจายพลงงานของรงสเอกซแบบกลมจดเพอวเคราะหธาตทเปนองคประกอบของฟลมซงกออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม

ชนงานทตองการตรวจสอบเมอถกฉายดวยรงสเอกซ จะท าใหชนงานปลดปลอยรงสเอกซ ทมลกษณะเฉพาะตวของแตละธาตออกมา จากนนตวรบพลงงาน (Energy-dispersive

Zn Ka1

O Ka1 Nb La1

1 m


detector) จะตรวจสเปกตรมของรงสทถกปลอยออกมา ซงธาตแตละธาตในสารตวอยางจะมลกษณะเฉพาะตวของพลงงานของรงสทปลอยออกมา เมอรงสเอกซกระทบชนงานจะเกดอนตรกรยากบอเลกตรอนชนใน เนองจากรงสเอกซมพลงงานมากกวาพลงงานยดเหนยวของอเลกตรอน อเลกตรอนจะดดกลนพลงงาน และหลดออกไปจากอะตอม ท าใหเกดทวางในวงโคจร จากนนอเลกตรอนทอยในระดบพลงงานทสงกวาจะเขามาแทนท การเขามาแทนทของอเลกตรอนวงนอกน เรยกวา Relaxation โดยจะปลอยพลงงานทมลกษณะเฉพาะออกมา เมอพลงงานทถกปลอยออกมาจากการลดระดบพลงงานของอเลกตรอนท าใหอเลกตรอนทอยในระดบพลงงานทสงกวาหลดออกไปไดอก เรยกอเลกตรอนทหลดออกมานวา Aüger electron 5.7 เครองวดพนทผว (Surface area analyzer, SAA)

5.7.1 หลกการเบองตนของวธบอท พน ทผวของสาร (Surface area) เปนสมบตทางกายภาพท มความส าคญ เพ อใช

ประกอบการพจารณาส าหรบการน าสารนนไปพฒนาเปนผลตภณฑตางๆ ทมคณภาพตามทตองการ การวดพนทผวของสารทมความพรนท าไดโดยการศกษาการดดซบแกสไนโตรเจน (N2) หรอแกสอนทมขนาดเลก เชน แกสอารกอน โดยใชประโยชนจากการดดซบทางกายภาพ หรอเรยกวา บรนวร เอมเมทท และเทลเลอร; บอท (Brunauer, S., Emmett, P.H., and Teller, E.; BET) ทอณหภมของไนโตรเจนเหลวหรออารกอนเหลว ซงขนอยกบชนดของตวดดซบ โดยจ านวนโมเลกลทใชเพอเกดการดดซบแบบชนเดยว จะท าใหสามารถค านวณหาพนทผวภายในได การดดซบแกสไนโตรเจน ดงแสดงในภาพ 5.21 จะเกดไดเรวในชวงแรกโดยจะเพมตามความดน จนกระทงถงจดเปลยนแปลง (ต าแหนง B) ซงเปนต าแหนงทเสนกราฟเรมจะคงทในแนวราบ อนแสดงถงปรากฏการณทการดดซบบนพนผวเปนแบบชนเดยว จะเกดการควบแนนของไนโตรเจนเหลวในรพรน ท าใหปรมาตรของการดดซบเพมขนอยางรวดเรว

สมการทแสดงความสมพนธของปรมาตรทถกดดซบทความดนยอยตางๆ และปรมาตรทถกดดซบแลวเกดเปนการดดซบชนเดยว คอสมการของบอท ดงแสดงในสมการ 5.6


oo CPmV

PC

CmVPPV

P )1(1

)(

−+=

− …………… (5.6)

เมอ P คอ ความดนยอยของแกสไนโตรเจน Po คอ ความดนอมตวของแกสไนโตรเจน ณ อณหภมทศกษา V คอ ปรมาตรทถกดดซบทความดน P Vm คอ ปรมาตรทถกดดซบทท าใหเกดการปกคลมชนเดยว C คอ คาคงท

ในรปของกราฟเสนตรง Y = a + bX จะพบวาเมอให X คอ P/Po Y คอ P/V( Po-P)

a คอ 1/VmC b คอ (C-1)/VmC

ภาพ 5.21 กราฟการวดพนทผวโดยวธการดดซบของแกสดวย BET (ศรไฉล, 2543)

จากนนเขยนกราฟทไดจากการค านวณในรปเสนตรงของสมการบอท จะไดกราฟดงแสดงในภาพ 5.22

B

P/P0

P V(P0-P)

((P/Po) , (P/V( Po-P)))


ภาพ 5.22 กราฟทไดจากการค านวณในรปเสนตรงของสมการ BET (ศรไฉล, 2543)

5.7.2 การค านวณหาพนทผวจ าเพาะของสาร จากสมการของบอทสามารถค านวณหาพนทผวจ าเพาะของสาร (Specific surface area,

SSABET) ได โดยน าคาปรมาตรของแกสไนโตรเจนทใชในการคลมผวของสาร หรอคา Vm ทไดจากสมการ 5.5 ส าหรบค านวณหาจ านวนโมเลกลของแกสไนโตรเจนทถกดดซบในสภาพ 1 ชนโมเลกล แลวค านวณหาพนทผวจ าเพาะโดยใชสมการ 5.7

W

SaNA

SSABET

0max ..

= …………… (5.7)

โดยท SSABET คอ พนทผวจ าเพาะของสาร (m2/g)

NA คอ เลขอาโวกาโดร (Avogadro’s number) มคาเทากบ 6.02×1023 amax คอ จ านวนโมเลกลของแกสทถกดดซบใน สภาพ 1 ชนโมเลกล มเทากบ Vm/22414

S0 คอ พนทผวหนาตดของโมเลกลของแกสทถกดดซบ มคาเทากบ 1.62×10-20 m2

W คอ น าหนกของสารหรอตวดดซบ (g)

P V(P0-P) Slope = (C-1)VmC

Intercept = 1/VmC

P/P0


5.7.3 การค านวณหาขนาดของอนภาค จากคาพนทผวจ าเพาะของสารทค านวณได สามาถน าคาทไดค านวณหาขนาดของ

อนภาค (Diameter particles, dBET) จากสมการ 5.8

).%().%(

6

DopewtSSASupportwtSSAd

BETDopeBETSupport

BET+

=

…….. (5.8)

เมอ dBET คอ ขนาดอนภาค (dBET, nm)

ρSupport คอ ความหนาแนนของสารตวหลกทเตรยม (g/cm3) ρDope คอ ความหนาแนนของสารทเจอ (g/cm3) SSABET คอ คาพนทผวจ าเพาะ (m2/g) wt.% คอ เปอรเซนตโดยน าหนก

ตวอยางท 5.2 จงค านวณหาขนาดของอนภาคทงสเตนออกไซด (WO3) ทเจอดวยไนโอเบยม (Nb) 1.00 wt.% ใชวธบอท เมอความหนาแนนของทงสเตนออกไซด (WO3) เทากบ 7.16 g/cm3 ความหนาแนนของไนโอเบยม (Nb) เทากบ 8.57 g/cm3 และคาพนทผวจ าเพาะมคาเทากบ 12.38 m2/g วธท า

).%().%(

6

DopewtSSASupportwtSSAd

BETDopeBETSupport

BET+

=

)]100

1()38.12()57.8[()]

100

99()38.12()16.7[(

62

3

2

3+

=

g

m

cm

g

g

m

cm

gdBET

)]01.0()38.12()57.8[()]99.0()38.12()16.7[(

62

3

2

3+

=

g

m

cm

g

g

m

cm

gdBET

3

36

2

3 1006772.0

cm

m

m

cmd BET

−

=


61006772.0 −=BETd m 36 101006772.0 −− =BETd nm

72.67=BETd nm ตอบ

ตวอยางคาพ น ทผวจ าเพาะ (SSABET) และขนาดของอนภาค (dBET) ของอนภาค

ซงกออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม ทความเขมขนของการเจอไนโอเบยม 0-1 เปอรเซนโดยโมล แสดงในภาพ 5.23 จากภาพพบวาเมอเจอไนโอเบยมลงในซงกออกไซดในปรมาณทเพมขนจาก0.25-1 เปอรเซนโดยโมล ท าใหคาพนทผวของอนภาคทไดมคาเพมขนตามปรมาณการเจอไนโอเบยมทมากขน ซงสอดคลองกบคาขนาดของอนภาคทเลกลง

ภาพ 5.23 กราฟแสดงคาพนทผวจ าเพาะ และขนาดของอนภาคซงกออกไซดท เจอดวยไนโอเบยมทไดจากการวเคราะหจากทฤษฎของบอท (Kruefu et al., 2011)

Spec

ific s

urfac

e are

a (m2 /g)

d BET (

nm)

Specific surface area (SSABET; m2/g)

140

120

100

80

60 dBET (nm)

20

16

12

8

4

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 Nb (mol%)


5.8 เครองยว-วสเบล สเปกโทรโฟโตมเตอร (UV-Vis spectrophotometer, UV-Vis) UV-Vis เปนเทคนคทใชวเคราะหสารไดท งในเชงคณภาพและเชงปรมาณ โดย

การศกษาความสามารถของสารในการดดกลนแสงหรอรงสในชวงแสงอลตราไวโอเลต (Ultraviolet, UV) และชวงแสงทมองเหนไดหรอแสงขาว (Visible light) เทคนคนสามารถใชทดสอบตวอยางไดทงสารอนทรย สารประกอบเชงซอน และสารอนนทรย ทใหผลไดอยางถกตอง แมนย า และมความไวสง

UV-Vis spectrophotometer เปนเครองมอทใชในการตรวจวดปรมาณแสงในชวงรงส อลตราไวโอเลต และชวงแสงขาวททะลผานหรอถกดดกลน ความยาวคลนแสงทตวอยางดดกลน จะมความสมพนธกบปรมาณ และชนดของสารทมอยในตวอยาง ในปจจบนเครองมอนไดรบการพฒนาใหมขนาดทเลกลง มความไวมากขน ใหผลลพธทถกตอง แมนย ามากยงขน รวมไปถงมการพฒนาโปรแกรมทใชควบคกนกบเครองมอในการวเคราะห และการเชอมตอดวยเทคนคอนๆ ท าใหสามารถใชงานไดกวางขน

UV-Vis Spectrum เปนแถบสเปคตรมคลนแมเหลกไฟฟา มคาตงแตชวงความยาวคลนสน รงสแกมมาและรงสเอกซ ไปจนถงชวงความยาวคลนยาว คลนไมโครเวฟและคลนวทย ส าหรบ รงสอลตราไวโอเลตและแสงขาว เปนเพยงชวงความยาวคลนหนงของคลนแมเหลกไฟฟา โดยมความยาวคลนประมาณ 190-800 นาโนเมตร ภาพ 5.24 แสดงแถบสเปคตรมของคลนแมเหลกไฟฟา

เทคนค UV- Vis spectroscopy เปนเทคนคในการวดสมบตในการดดกลนแสงของสาร เมอโมเลกลของสารตวอยางถกฉายดวยแสงในชวงแสงอลตราไวโอเลตหรอแสงขาวทมพลงงานเหมาะสม จะท าใหอเลกตรอนภายในอะตอมเกดการดดกลนแสงแลวเปลยนสถานะไปอยในชนทมระดบพลงงานสงกวา เมอท าการวดปรมาณของแสงทสองผานหรอสะทอนออกมาจากตวอยาง เทยบกบแสงจากแหลงก าเนดทความยาวคลนคาตางๆ คาการดดกลนแสง (Absorbance) ของสารจะแปรผนกบจ านวนโมเลกลทมการดดกลนแสงตามกฎของเบยร- แลมเบรต (Beer-Lambert) ดงนนจงสามารถระบชนดและปรมาณของสารทมอยในสารตวอยางได


ภาพ 5.24 แถบสเปคตรมของคลนแมเหลกไฟฟา (พรรณทพย, 2551)

การดดกลนแสงของโมเลกลหรอสารประกอบเชงซอนในชวงแสงอลตราไวโอเลต ความยาวคลนของการดดกลนแสงสงสดจะมคาจ าเพาะซงน ามาประยกตใชส าหรบงานดานปรมาณวเคราะหได โดยปกตอะตอมหรอโมเลกลหรอสารประกอบเชงซอนทอย ณ สถานะพน (Ground state) จะเปนสถานะทเสถยรทสดเมอไดรบแสงทมความยาวคลนทเหมาะสม อะตอมหรอโมเลกลหรอสารประกอบเชงซอนจะดดกลนแสงแลวมพลงงานสงขน เกดการเปลยนแปลงระดบพลงงาน (E) ดงแสดงในสมการ 5.9 จากสถานะพนไปสระดบพลงงานทสงกวาทเรยกวา สถานะกระตน (Excited state) แสดงในภาพ 5.25

ภาพ 5.25 การเปลยนระดบพลงงานของอเลกตรอนภายในโมเลกล (ศรไฉล, 2543)

hhc

E == …………… (5.9)

Wavelength (m)

Visible

380 500 600 700 780 (nm)

10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 700 780 (nm)

E

E1

E2

E3

Photon

rays X rays Ultraviolet Infrared Microwaves Radio waves


โดยท E คอ ผลตางของระดบพลงงานของสถานะกระตนกบสถานะพน h คอ คาคงตวของแพลงค (Planck’s constant) มคาเทากบ 6.626x10-34 J.s C คอ ความเรวของแสง มคาเทากบ 3.00 x 108 m/s คอ ความยาวคลนของแสง (m) คอ ความถของแสง (Hz)

ตวอยาง 5.3 พลงงานโฟตอนกระตนใหอเลกตรอนในวสดกงตวน าทนออกไซด (SnO2) กระโดดจากสถานะพนซงมคาพลงงาน เทากบ 1.38 อเลกตรอนโวลต ขนไปยงแถบคอนดกชนทมคาพลงงาน เทากบ 3.54 อเลกตรอนโวลต จงค านวณหาคาความยาวคลนของโฟตอนนพรอมทงบอกวาเปนแสงสอะไร วธท า

hcE =

E

hc

=

E

=

− )103)(10626.6( 834

เมอ 12 EEE −=

eVE 16.238.154.3 =−=

แทนคา eV

s

msJ

16.2

)103)(.10626.6(2

834

=

−

J

s

msJ

)106.1)(16.2(

)103)(.10626.6(

19

834

−

−

=

m710752.5 −=

2.575= nm

ความยาวคลน 575.2 นาโนเมตร เปนความยาวคลนแสงในชวงทตามองเหนได ซงตรงกบแสงสเหลองในสเปกตรมคลนแมเหลกไฟฟา ตอบ


แสงทไดจากแหลงก าเนดแสงมหลายความยาวคลน ดงนนจงตองเลอกคลนแสงทมความยาวคลนเหมาะสมทมคาเฉพาะ (Monochromatic light) เพอฉายแสงทมความยาวคลนเดยว (Monochromatic) น ผานเขาไปในสารละลาย แสงบางสวนจะถกดดกลนไว และบางสวนทะลผานออกมา ซงสามารถตรวจวดไดโดยใชตวตรวจวด (Detector) ดงน นจงสามารถค านวณหาปรมาณของแสงทถกดดกลนได ดงแสดงในภาพ 5.26

ภาพ 5.26 กระบวนการการดดกลนแสง แสงตกกระทบ มพลงงานเทากบ (P) ถกดดกลนโดยสารท าใหแสงทผานออกมามพลงงานลดลง (PO) (พรรณทพย, 2551)

ซงสามารถค านานไดจากสมการตามกฎของเบยร-แลมเบรต ดงน )/log( PPA O= …………… (5.10)

หรอ bcA = …………… (5.11) โดยท คอ คาสภาพการดดกลนแสง (Molar absorptivity)

b คอ ความหนาของตวอยาง (cm) c คอ ความเขมขนของสาร (mol/L) A คอ คาการดดกลนแสง (Absorbance)

จากสมการ 5.11 พบวา คาการดดกลนแสง (A) เปนปฏภาคโดยตรงกบความเขมขนของสาร ทงนเพราะวาคาสภาพการดดกลนแสง () เปนคาคงทของสารแตละชนด ดงนนจงสามารถใชในการวเคราะหหาปรมาณของสารได โดยการเตรยมสารละลายมาตรฐานทมความ

Sample

Incident radiation Transmitted radiation (P) (P0)


เขมขนตางๆ กน น าไปทดสอบการดดกลนแสง (Absorbance) แลวเขยนกราฟ ดงแสดงในภาพ 5.27

ภาพ 5.27 สเปกตรมการดดกลนแสงของอนภาคซงกออกไซด (ZnO) และซงกออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม (Nb-loaded ZnO) (Kruefu et al., 2011) ตวอยาง 5.4 จากภาพ 5.27 พจารณาสเปกตรมการดดกลนแสงของซงกออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม 1.00 เปอรเซนโดยโมล โดยการลากเสนตดเพอหาคาแอบซอรบชนเอดจ (Absorption edge) ส าหรบพจารณาความยาวคลนขณะเรมเกดสเปกตรมการดดกลนแสง ซงพบวามคาความยาวคลนอยทประมาณ 400 นาโนเมตร จากขอมลนจงค านวณวาสารตวอยางนควรจะไดรบพลงงานแสงเทาใดจงจะสามารถเกดสเปกตรมการดดกลนแสงนได ในหนวยอเลกตรอนโวลต (eV) วธท า

hcE =

Unloaded ZnO 0.25 mol%Nb/ZnO 0.50 mol%Nb/ZnO 0.75 mol%Nb/ZnO 1.00 mol%Nb/ZnO

350 450 550 650 750 Wavelength (nm)

Abso

rptio

n

A B C D E

A B C D

E

400

Absorption edge

http://www.google.co.th/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=web&cd=1&cad=rja&ved=0CCcQFjAA&url=http%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FAbsorption_edge&ei=53YWU6-gDoLTkwWSooHIAw&usg=AFQjCNHUcZUIn7MefdgpUEBR7hcnqNd8Iw&bvm=bv.62286460,d.dGI


nm

s

msJ

E400

)103)(.10626.6( 834

=

−

nm

mJE

400

.10878.19 26−=

JE 19109695.4 −=

JE19

19

106.1

109695.4−

−

=

106.3=E eV ตอบ

สเปคตรมทเกดจากการดดกลนแสงของสารตวอยางดวยเทคนคน จะแสดงสมบต

เฉพาะของสารนนๆ ดงแสดงในภาพ 5.28 ท าใหสามารถน าไปใช วเคราะหสารชนดตางๆ ได ส าหรบการวเคราะหสารในเชงปรมาณดวยเทคนค น ท าไดโดยใชวธการเขยนกราฟความสมพนธระหวางคาการดดกลนแสง และคาความเขมแสง ซงจะสามารถหาปรมาณของสารทจะวเคราะหไดจากกราฟ

ภาพ 5.28 สเปกตรมการดดกลนแสง (พรรณทพย, 2551)

0 1 2

Wavelength ()

Abso

rptio

n


5.9 เครองโฟโตลมเนสเซนซสเปกโทรมเตอร (Photoluminescence spectrometer, PL) การเปลงแสง (Luminescence) แบงออกเปน 2 ประเภท คอ การวาวแสง หรอฟลออ-

เรสเซนซ (Fluorescence) และการเรองแสง หรอฟอสฟอเรสเซนซ (Phosphorescence) การเปลงแสงของสารบางชนด สามารถใชในการตรวจสอบชนดของสารนนๆ ได โฟโตลมเนส-เซนซสเปกโทรสโกป (Luminescence spectroscopy, PL) เปนเทคนคทส าคญและใชงานอยางแพรหลายในการวเคราะหทางเคม เนองจากมขอดดงน คอ

- มความจ าเพาะสง (High specificity) เนองจากสารประกอบฟลออเรสเซนซ (Fluorescence compound) แตละชนดทเปลงแสงออกมามลกษณะคงท ทแตละความยาวคลนของแสงตกกระทบ แมวาสารบางชนดทอาจรบกวนการเปลงแสงของสารตวอยางทตองการวเคราะหสามารถเปลงแสงฟลออเรสเซนซได แตสารนนจะเปลงแสงในชวงความยาวคลนอนทไมตรงกบสารทตองการวเคราะห นอกจากนยงสามารถใชรปแบบการเปลงแสงฟลออเรสเซนซทมลกษณะจ าเพาะของสารสารตวอยางแตละชนดเพอการจ าแนกชนด (Identify) ของสารตวอยางได

- การวเคราะหมความไวสง (High sensitivity) สามารถวเคราะหสารปรมาณนอยไดดกวาการวเคราะหดวยการวดการดดกลนแสงไดมากกวาถง 1,000-500,000 เทา โดยเครองวดแสงฟลออเรสเซนซขนาดเลก (Microflourometer) สามารถวเคราะหสารไดนอยถง เฟมโตโมล (fmol หรอ 10–15 )

- การวเคราะหสวนใหญท าไดงาย รวดเรว และคาใชจายในการวเคราะหต า - สามารถประยกตใชงานไดอยางวงกวางขวาง ท งในดานการแพทย ในดาน

อตสาหกรรม ในดานสงแวดลอม และในดานเทคโนโลยชวภาพ เนองจากมชวงของการวเคราะหทกวาง

การเกดฟลออเรสเซนซของโมเลกล แสดงดงภาพ 5.29



ภาพ 5.29 หลกการเกดฟลออเรสเซนซของวสด (Ribes et al., 2000)

เมออเลกตรอนภายในโมเลกลมการรบและปลอยพลงงานออกมาจะเกดฟลออเรส-เซนซขน เมอโมเลกลทมพลงงานคงทหรออยในสถานะพน ดดกลนรงสจากการแผรงสแลวขนไปอยทระดบพลงงานทสงขนหรออยในสถานะกระตน โมเลกลจะสญเสยพลงงานโดยการคายพลงงานในรปของความรอนทเกดจากการชนกนของโมเลกล หลงจากสญเสยพลงงานจากการชนกนแลว อเลกตรอนจะกลบคนสสถานะพน โดยการคายพลงงานออกมาในรปของแสง ซงเรยกปรากฏการณนวา ฟลออเรสเซนซ โดยปกตการเกดฟลออเรสเซนซของโมเลกล จะเกดขนทความยาวคลนทยาวกวาความยาวคลนในการดดกลนแสง การเลอนไปทความยาวคลนทยาวขนน เรยกวา Stokes shift ดงนนพลงงานทคายออกมาจะอยในชวงความยาวคลนใดจะขนอยกบชนดของสารนนๆ

Excited state

Excitation

Ground state

Fluorescence


5.10 เครองอนฟราเรดสเปกโทรโฟโตมเตอร (Infrared spectrophotometer, IR) 5.10.1 การว เคราะหโดยใช เทคนคทางอนฟราเรดสเปกโทรสโกป (Infrared Spectroscopy, IR) สเปกโทรสโกป (Spectroscopy) หมายถงเทคนคท เกยวของกบแสงหรอคลน

แมเหลกไฟฟาทมลกษณะเปนแถบพลงงาน (Spectrum) โดยมความยาวคลนตงแตในชวงของคลนวทย คลนไมโครเวฟ คลนอนฟราเรด คลนในชวงทตามองเหน (Visible) ไปจนถงคลนอลตราไวโอเลต ส าหรบคลนแมเหลกไฟฟาในชวงอนฟราเรด จะมเลขคลนในชวง 650-4,000 เซนตเมตร-1 (cm-1) หรอมความยาวคลนในชวง 15.4-2.5 นาโนเมตร

อนฟราเรดสเปกโทรสโกป (Infrared Spectroscopy, IR) เปนหนงใน Spectroscopic ทวๆ ไป ทใชในทางเคมอนทรย และเคมอนนทรย ซงเมอแสงอนฟราเรดตกกระทบโมเลกลสารจะเกดแรงกระท า (Interaction) ระหวางแสงกบโมเลกลสาร โดยทแสงอนฟราเรดในบางชวงทมความถตรงกนกบความถของการสนของพนธะในโมเลกลของสารจะถกดดกลนไป เรยกวา เกดเรโซแนนซ (Resonance) ดงนนความเขมของแสงอนฟราเรดททะลผานสารตวอยาง (Transmitted Infrared) จงมความเขมแสงลดลงในบางชวงของความถทงหมดของอนฟราเรด

อนฟราเรดสเปกโทรสโกป สามารถแยกเปน 2 ประเภท คอ Dispersive Infrared Spectroscopy (DIS) และ Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) โดยในบท นจะกลาวถงเฉพาะ FTIR เพราะเปนเครองมอทมประสทธภาพมากกวา

5.10.2 Fourier Transform Infrared Spectroscopy Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) เปน เทคนคส าห รบการจ าแนก

ประเภทของสารอนทรยและสารอนนทรย ทงทเปนของแขง ของเหลว และแกส FTIR ไดเขามาแทนท Dispersive Infrared Spectrometer เพอใชในงานทตองการความรวดเรว และความไวสง นอกจากนยงสามารถวเคราะหสารในชวงท Dispersive Infrared Spectrometer ไมสามารถวเคราะหได หรอวเคราะหไดยาก

IR และ FTIR ใชในการจ าแนกประเภทของสารอนทรยทกประเภท และสารประกอบ อนนทรยบางประเภท รวมถงหมฟงกชนในสารตวอยาง เชน อนทรยวตถ ส โลหะ โพลเมอร พลาสตก เรซน สารเคลอบ ยา ยาฆาแมลง หรอสารปนเปอน เปนตน โดยท าการจบคสเปคตรม


ของสารประกอบทตองการเขากบสเปคตรมอางอง IR และ FTIR ยงใชในการตรวจวดโครงสรางและลกษณะทางสณฐานของไอโซเมอร ใชในการบงบอกองคประกอบของสารทเกดปฏกรยา หรอใชในการศกษาการเคลอนไหวของปฏกรยา นอกจากนยงใชในการตรวจสอบปรมาณของสารผสม สารทไมบรสทธ หรอสารทเตมเขาไปในปรมาณ 0.001-1 เปอรเซนต

5.10.3 ตวอยางสเปคตรมอนฟราเรด เมอพจารณากราฟความสมพนธระหวางความเขมของแสงอนฟราเรดททะลผานสาร

ตวอยางกบความถหรอเลขคลน (Wavenumber) ซงเลขคลนมคาเทากบสวนกลบของความถของแสง ยกตวอยางสเปคตรมอนฟราเรดของเอทานอล ดงแสดงในภาพ 5.30

ภาพ 5.30 สเปคตรมของเอทานอล (University of Colorado at Boulder, 2009) จากภาพ 5.30 ปรากฏพคทแสดงถงการดดกลนแสงในชวงความถตางๆ ทมความสง

ของพค หรอปรมาณแสงททะลผานสารตวอยางทหลากหลาย และเปนจ านวนหลายพค ทงนเนองจากในโมเลกลของสารอนทรยจะมพนธะมากกวา 1 พนธะ และแตละพนธะจะมการสน (Vibration) ในความถทแตกตางกน และมรปแบบของการสนไดหลากหลายรปแบบ

Wavenumbers (cm-1) 4000 2000

80

60

40

20

0

Ethanol (C2H5OH)

3391

2981 1102

1055

O-H stretch

C-H stretch C-O stretch

Tran

smitt

ance

, T (%

)


5.10.4 การวเคราะหเชงปรมาณ (Quantitative analysis) เทคนคอนฟราเรดสเปกโทรสโกป นอกจากจะใชในการวเคราะหเชงคณภาพเพอ

ตรวจสอบ หมฟงกชนในโมเลกลของสาร และวเคราะหโครงสรางเคมของสารในเบองตน นอกจากนยงสามารถใชในการวเคราะหสารในเชงปรมาณได เชน การหาปรมาณหมแทนท การหาสดสวนหรอองคประกอบของสาร และการหาปรมาณความเปนผลก เปนตน

ภาพ 5.31 ตวอยางการลากเสน Base line เพอการค านวณ และการวเคราะหเชงปรมาณ (University of Colorado at Boulder, 2009)

หลกการพนฐานของการวเคราะหเชงปรมาณคอการอาศยความสงของพค ซงจะสมพนธกบปรมาณหมฟงกชนในสารทสนใจ โดยอธบายไดจากสมการตามกฎของเบยร- แลมเบรต ดงแสดงในสมการท 5.8 และ 5.9

Baseline

Tran

smitt

ance

, T (%

) Tr

ansm

ittan

ce, T

(%) Baseline

Wavenumber (cm-1)

C C

B

B A A A A

A A A A

B

B

C C

l0

l0

l0

l0

l

l


ขอส าคญในการใชขอมลจากสเปคตรมอนฟราเรด เพอวเคราะหพอลเมอรในเชงปรมาณน นคอการลากเสน Base line เพอก าหนดระยะความสงของพคทจะวดและน าไปค านวณ ซงโดยทวไปแลวการลากเสนดงกลาวสามารถก าหนดไดหลายรปแบบ (ถกตองทกวธ ขอส าคญคอตองใชมาตรฐานเดยวกนตลอดในการลากเสน ส าหรบงานเดยวกน) ดงตวอยางทแสดงในภาพ 5.31 5.11 เครองรามานสเปกโทรมเตอร (Raman spectrometer)

รามาน (Raman) เปนปรากฏการณในการกระเจงของแสงรปแบบหนง ทเกดจากการทแสงตกกระทบวตถ และสงผลท าใหโมเลกลของสารถกกระตนใหอยในสถานะกระตน (ถาพจารณาในระดบโมเลกล คอ การทพนธะระหวางอะตอมในโมเลกลถกท าใหมสภาพขวหรอ Polarizibility เปลยนแปลงไป) และเมอโมเลกลทถกกระตนพยายามทจะกลบคนสสถานะปกตซงมพลงงานต ากวา โดยไมมโมเมนตแมเหลก (Dipole moment) ในพนธะเคม กจะท าใหเกดการกระเจงแสง (Scattered light) ออกมา ดงแสดงในภาพ 5.32

ภาพ 5.32 การกระเจงแสงทตกกระทบวตถ (แมน, 2539)

ซงการกระเจงแสงดงกลาวขางตน มไดทงกระบวนการกระเจงแสงแบบพลงงานแสงคงท (Elastic process) และกระบวนการกระเจงแสงแบบแสงทกระเจงออกมามพลงงานหรอความยาวคลนเปลยนแปลงไปเมอเทยบกบความยาวคลนเรมตนของแสงทตกกระทบ (Inelastic process) ขอมลทไดจากการกระเจงในแบบรามาน มประโยชนมากในการน าไปประยกตใชใน

แสงสะทอน แสงตกกระทบ

ตวอยาง


การวเคราะหวสดจ าพวกพอลเมอร และนยมใชคกบเทคนคอนฟราเรด ในการกระเจงแบบ รามาน ผลตางของพลงงานหรอความถของแสงทตกกระทบ กบพลงงานแสงทกระเจง เรยกวา Raman shift จะมคาตรงกนกบพลงงานหรอความถของพนธะในการสนของโมเลกลทวดไดจากเทคนคอนฟราเรด ดงน นสเปคตรมทไดจากเครองรามาน จงมลกษณะคลายกนกบสเปคตรมทไดจากเครองอนฟราเรด ยกตวอยางสเปคตรมของพอลสไตรน ดงแสดงในภาพ 5.33

อยางไรกตามขอมลทไดจากเทคนคทง 2 อาจแตกตางกนในบางประเดน กลาวคอพคบางพคอาจไมสามารถสงเกตพบไดจากสเปคตรมอนฟราเรด แตสามารถสงเกตพบไดในสเปคตรมรามาน เปนตน

ภาพ 5.33 เปรยบเทยบสเปคตรม FTIR และ Raman ของพอลสไตรน (University of Colorado at Boulder, Department of Chemistry and Biochemistry, 2009)

Inten

sity (

Rama

n)

Tran

smiss

ion (I

R)

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 100

Wavenumber (cm-1)

Polystyrene Film


ขอดของเทคนครามาน 1. เนองจากปรากฏการณรามานเปนกระบวนการกระเจงของแสง ดงนนสาร

ตวอยางทใชอาจจะมรปทรงหรอขนาดใดๆ กได 2. สามารถใชวดสารตวอยางทมความเขมขน หรอปรมาณนอยได 3. สามารถใชวเคราะหสารตวอยางทละลายในน าได เนองจากโมเลกลน าซงม

สภาพขวสงจะไมเกดสญญาณรบกวนสเปคตรมรามาน 4. ทบรรจสารตวอยาง (Sample holder) เปนวสดประเภทแกว ซงมราคาไมแพง

เมอเทยบกบ IR window บางชนด 5. สามารถใชวเคราะหไดทงในเชงคณภาพและปรมาณ

5.12 เครองวเคราะหเชงความรอน (Thermal analyzer, TA)

การวเคราะหเชงความรอนโดยใชเทคนคทจเอ (Thermogravimetric analysis, TGA) เปนการวเคราะหความเสถยรของวสดเมอไดรบความรอน โดยการวดน าหนกของวสดทเปลยนแปลงในแตละชวงอณหภมดวยเครองชงทมความไวสง เทคนคนเหมาะส าหรบการวเคราะหการเปลยนแปลงสภาพของวสดทเกยวของกบการดดซบแกสหรอระเหยของน า การตกผลก (Crystallization) อนเนองมาจากการเปลยนเฟส การแตกตวของวสด (Decomposition) ศกษาการเกดปฏกรยาออกซเดชนและรดกชน หรอปรมาณสารสมพนธ (Stoichiometry) ในขนตอนของการวเคราะห ชนตวอยางจะถกวางบนจานขนาดเลก ซงเชอมตอกบเครองชงละเอยดทมความไวตอการเปลยนแปลงสง โดยททงหมดจะอยในเตาทสามารถควบคมอณหภมและบรรยากาศได บรรยากาศภายในอาจจะเปนบรรยากาศของแกสเฉอย เชน แกสไนโตรเจน หรอแกสทมความวองไว เชน อากาศ หรอแกสออกซเจน โดยน าหนกของชนตวอยางทเปลยนแปลงจะเกดขนทอณหภมเฉพาะของสารแตละชนด โดยน าหนกทหายไปนนเกดจากการระเหย การยอยสลาย หรอการเกดปฏกรยาตางๆ

เทคนค TGA สามารถทดสอบไดทงตวอยางทเปนผง หรอเปนกอน หรอตวอยางทเปนแผน เชน


- พอลเมอร - ยา และเครองส าอาง - ตวอยางทางเคม - ส และพกเมนต - ตวอยางทางปโตรเคม และสารอนทรยตางๆ - สวนประกอบในอาหาร เปนตน

กรณตวอยางเปน กอน หรอแผน ตองตดใหมขนาดพอทสามารถใสลงในครซเบล

(Crucible) ได (เสนผานศนยกลาง ประมาณ 5 มลลเมตร และสงไมเกน 2-3 มลลเมตร) กรณตวอยางเปนผง จะใชในปรมาณ 3-5 มลลกรม จนถง 20 มลลกรม ทงนขนอยกบความหนาแนนของตวอยาง

ภาพ 5.34 กราฟแสดงผลการวเคราะห การสญเสยน าหนก เมอไดรบความรอน ของแคลเซยมออกซาเลต (จตพร, 2554)

ยกตวอยางการทดสอบการวเคราะหโดยใชเทคนคทจเอของแคลเซยมออกซาเลต (Calcium Oxalate, CaC2O4.H2O) เพอวเคราะหการสญเสยน าหนกเมอไดรบความรอน พบวาม

Weig

ht (%

)

Temperature (C) (20C/min) 0 200 400 600 800 1000

120

100

80

60

40

20

11.82% H2O 18.34% CO

30.21% CO2

(1.746 mg) (2.709 mg)

(4.462 mg) (5.865 mg)

คงเหลอ 11.82%


การเปลยนแปลงน าหนกโดยการสญเสยน า (H2O) ทอณหภมในชวง 200-400 องศาเซลเซยส คดเปน 11.82 เปอรเซนต มการสญเสยคารบอนมอนอกไซด (CO) ทอณหภมในชวง 500-700 องศาเซลเซยส คดเปน 18.34 เปอรเซนต และมการสญเสยคารบอนไดออกไซด (CO2) ทอณหภมในชวง 750-900 องศาเซลเซยส คดเปน 30.21 เปอรเซนต ดงแสดงในภาพ 5.34 โดยการวเคราะหการสญเสยน าหนกเมอไดรบความรอน ระบบจะแสดงผลการสญเสยน าหนกเทาใด คดเปนรอยละเทาใด ณ ชวงอณหภมตางๆ และกรณทไมทราบวาสารตวอยางคออะไร สามารถใชการค านวณรอยละของน าหนกทสญเสยไปจากการทดสอบ เปรยบเทยบกบรอยละของน าหนกทสามารถสญเสยไปไดของสารประกอบทคาดวาจะเปน ตวอยาง 5.5 หลงการวเคราะหการสญเสยน าหนกเมอไดรบความรอนของสารชนดหนง ซงคาดวาจะเปนสารประกอบของแมกนเซยม ซงอาจจะเปนไดทง MgO หรอ MgCO3 หรอ MgC2O4 โดยผลการวเคราะห พบวามการสญเสยน าหนก 91.0 มลลกรมจากน าหนกสารตวอยางทงหมด 175.0 มลลกรม จากขอมลจงค านวณหาค านวณหารอยละของน าหนกสารตวอยางทสญเสย และจงระบวาสารตวอยางนคอสารประกอบของแมกนเซยมชนดใด วธท า

รอยละของน าหนกสารตวอยางทสญเสย

52.0%100175.091.0

==

จากนนค านวณหารอยละของน าหนกของสารประกอบของแมกนเซยมแตละ

ชนดทจะสญเสยไป จากผลของการเกดปฏกรยาทางเคมโดยค านวณจากน าหนกโมเลกล ดงนคอ

MgO ----> MgO ไมมการสญเสยน าหนก


MgCO3 ----> MgO + CO2 น าหนกจะสญเสยไปในรปของ CO2 โดยท MgCO3 มน าหนกโมเลกล = 84.31 กรม

CO2 มน าหนกโมเลกล = 44.01 กรม รอยละของน าหนกท MgCO3 สญเสย

52.2%10084.3144.01

==

MgC2O4 ----> MgO + CO2 + CO น าหนกจะสญเสยไปในรปของ CO2 และ CO

โดยท MgC2O4 มน าหนกโมเลกล = 112.30 กรม CO2 มน าหนกโมเลกล = 44.01 กรม CO มน าหนกโมเลกล = 28.00 กรม รอยละของน าหนกท MgC2O4 สญเสย

64.1%100112.30

28.0044.01=

+=

สารตวอยางทใชในการทดสอบ คอ MgCO3 เนองจากมรอยละของ น าหนกท

สญเสยหลงจากไดรบความรอนใกลเคยงมากทสดกบคาททดสอบได ตอบ นอกจากผลการวเคราะหการสญเสยน าหนกเมอไดรบความรอน สามารถท าใหทราบ

ไดวาสารตวอยางเกดปฏกรยาเคม และสญเสยองคประกอบในโครงสรางทางเคมทอณหภมเทาใด มากหรอนอย รวมทงใชทดสอบ และค านวณเปรยบเทยบ เพอใหทราบชนดของสารตวอยางแลว การน าสารตวอยางซงอาจเปนไดทงวตถดบจนถงองคประกอบของน าเคลอบ และเนอดนปนมาทดสอบเผาทบรรยากาศแตกตางกนจะชวยใหสามารถใชเปนขอมลในการน าไปใชงานได เชน สามารถเลอกชวงอณหภมไดเหมาะสมกบการเกดปฏกรยาเคม เปนตน


บรรณานกรม 1. ความรเบองตนเกยวกบนาโนเทคโนโลยบทสรปส าหรบผบรหาร. [ระบบออนไลน].

แหลงทมา http://www.mwit.ac.th/~ponchai/Nano/basicnano.doc (5 มนาคม 2555) 2. จตพร วฒกนกกาญจน. 2554. การวเคราะหน าหนกโมเลกลพอลเมอร. [ระบบออนไลน].

แ ห ล ง ท ม า http://www.seem.kmutt.ac.th/research/pentec/download/MTT-656% 20%20Chapter%203%20Molecular%20weight%20analysis.pdf (5 มนาคม 2555)

3. ธระชย พรสนศรรกษ. การเรยงอะตอมเปนพระปรมาภไทยยอเพอเทดพระเกยรตพระบาทสมเดจพระเจาอยหว. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.nanotec. or.th/ th/?p=1137 (5 มนาคม 2555)

4. ปณฑตา แจงประดษฐ . 2556. การสงเคราะหและการหาลกษณะเฉพาะของทงสเตนออกไซดบรสทธ และทงสเตนออกไซดทเจอดวยไนโอเบยมโดยวธไฮโดรเทอรมอล ส าหรบประยกตใชเปนตวตรวจจบแกส. รายงานการศกษาอสระ คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยแมโจ. 107 น.

5. พรรณทพย ตงปรยารกษ. 2551. เทคนคปฏบตการใชเครอง UV-Vis Spectrophotometer ในการวเคราะหทางเคม . [ระบบออนไลน ]. แหลงทมา http://www.mwit.ac.th/ ~sarawoot/chem40235.htm (5 มนาคม 2555)

6. ภาควชาวศวกรรมเหมองแรและวสด. มหาวทยาลยสงขลานครนทร. การทดสอบการสญเสยน าหนก เมอไดรบความรอน. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.mne. eng.psu.ac.th/staff/lek_files/ceramic/u910-4.htm. (5 มนาคม 2555)

7. มณฑรา ผารนทร. 2555. การสงเคราะหและหาลกษณะเฉพาะของอนภาคนาโนซงกออกไซดทเจอดวยทองและไนโอเบยมส าหรบประยกตใชเปนตวตรวจจบแกส . รายงานการศกษาอสระ คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยแมโจ. 120 น.

8. แมน อมรสทธ และ อมร เพชรสม. 2539. หลกการและเทคนคการวเคราะหเชงเครองมอ , ชวนพมพ. หนา 33-107.

http://www.mwit.ac.th/~ponchai/Nano/basicnano.doc

http://www.nanotec/

http://www.mwit.ac.th/%20~sarawoot/chem40235.htm

http://www.mwit.ac.th/%20~sarawoot/chem40235.htm

http://www.google.co.th/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=web&cd=1&cad=rja&ved=0CCoQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.mne.eng.psu.ac.th%2F&ei=T5ncUsb2IayviQfgvIDgCQ&usg=AFQjCNFJ37lPykUon-Nze2CKmMap_-8F3Q&bvm=bv.59568121,d.aGc


9. รจพร ประทปเสน. 2538. กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด, วารสารศนยเครองมอวจย วทยาศาสตรและเทคโนโลย. 1(5): 49-55.

10. วรฬ มงคละวลช และ สวทยปณณชยยะ. 2535. กลองจลทรรศนรงสเอกซแบบฉายภาพ. วารสารศนย เครองมอวจยวทยาศาสตรและเทคโนโลย. 2(2): 107-113.

11. ศรไฉล ขนทน . 2543. เครองรด. เครองมอวจยทางวสดศาสตร: ทฤษฎและหลกการท างานเบองตน. สถาบนวจยโลหะและวสด จฬาลงกรณมหาวทยาลย. กรงเทพฯ. หนา 27-46.

12. ศรไฉล ขนทน และ สรนทร ลมปนาท . 2543. เครองเอกซเรยดฟแฟรกชน (X-Ray Diffractometer), เครองมอวจยทางวสดศาสตร: ทฤษฏและหลกการท างานเบองตน. สถาบนวจยโลหะและวสด จฬาลงกรณมหาวทยาลย. กรงเทพฯ. หนา 309-322.

13. ศนยเครองมอวทยาศาสตรและเทคโนโลย จฬาลงกรณมหาวทยาลย. 2542. จลทรรศนอเลกตรอนแบบสแกนส าหรบงานดานวสดศาสตร . กรงเทพฯ . จฬาลงกรณมหาวทยาลย.

14. ศนยนาโนเทคโนโลยแหงชาต. นาโนเทคโนโลย คออะไร. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.nanotec.or.th/th/?p=1137 (5 มนาคม 2555)

15. สมนก บญพาไสว. นาโนเทคโนโลย เทคโนโลยในศตวรรษท 21. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://design.ipst.ac.th/docu/photo/D008.pdf (5 มนาคม 2555)

16. อรชา รกษตานนทชย . นาโนเทคโนโลยเพอสขภาพ . [ระบบออนไลน]. แหลงทมา www.nanotec.or.th (5 มนาคม 2555)

17. Atkins and Jones. Atoms molecules and ions. [Online]. Available http://employees. csbsju.edu/ hjakubowski/classes/ch123/ch123ch2mcmfay5th.htm. (5 March 2012)

18. Cleaves, K.S., 2003. Spectrophotometry on the rise, Today's Chemist at Work. 2 page 19. Franssila, S. 2004. Introduction to Microfabrication. John Wiley & Sons Ltd, 422

page

http://design.ipst.ac.th/docu/photo/D008.pdf

http://www.nanotec.or.th/

http://employees/


20. Kruefu, V., Khantha, C., Pookmaneeand, P., Phanichphant, S. 2011. Improvement of the solar efficiency of polymer solar cells by using 1, 3, 5 trichlorobenzene (TCB) as co-solvent, Mol. Cryst. Liq. Cryst. Sci. 566(1): 170-174.

21. Kruefu, V., Liewhiran, C., Wisitsoraat, A., Phanichphant, S. 2011. Selectivity of flame-spray-made Nb/ZnO thick films towards NO2 gas, Sens. Actuators B: Chem. 156: 360-367.

22. K ruefu, V ., Ninsonti, H., Wetchakun, N., Inceesungvorn, B., Pookmanee, P., Phanichphant, S. 2011. Photocatalytic degradation of phenol using Nb-doped ZnO nanoparticles, Engineering Journal. 16(3): 91-99.

23. Nanotechnology the Manufacturing of 21st Century. [Online]. Available http://www. engin.swarthmore.edu/~manzivino/Nanotechnology1.htm. (5 March 2012)

24. Ribes, A.C., Lundberg, J., Waldron, D.J., Vesely, M., Damaskinos, S., Guthrie, S.I., Dixon, A.E. 2000. Photoluminescence imaging of speleothem microbanding with a high resolution confocal scanning laser macroscope. Quat. Int. 68-71: 253-259.

25. Smalley, R.E. 1999. Nanotechnology, prepared written statement and supplemental material. Rice University.

26. University of Colorado at Boulder, Department of Chemistry and Biochemistry. 2009. IR Spectroscopy Tutorial: Alcohols. [Online]. Available http://orgchem.colorado. edu/Spectroscopy/irtutor/alcoholsir.html (5 March 2012)

27. Whiston, C. 1991. X-ray method. John Wiley & Sons. Singapore. 9 page

http://www.scientific.net/author/Burapat_Inceesungvorn

http://www.sciencedirect.com/science/journal/10406182

http://www.sciencedirect.com/science/journal/10406182/68



5.1 จงอธบายใหเขาใจถงค าวาอนภาคนาโน 5.2 ลกษณะการท างานของเครองมอกลม STM เปนอยางไร แตละเครองมความเหมอน

หรอแตกตางกนอยางไรบาง และมแนวทางในการน าไปใชไดอยางไรบาง 5.3 เราจะทราบไดอยางไรวาวสดนนเปนวสดนาโน ยกตวอยางประกอบ 5.4 UV-Vis spectroscopy และ Luminescence spectroscopy มหลกการว เคราะหสาร

แตกตางกนอยางไรอธบาย 5.5 จะเลอกใชเทคนคใดในการวเคราะหหาขนาดของอนภาค จงอธบายหลกการ

วเคราะหเพอใหไดมาซงผลดงกลาว 5.6 ถาตองการทราบความหนาของชนฟลมทเคลอบบนกระจกตวน า ทานจะเลอกใช

เทคนคใดในการวเคราะห เพราะเหตใด อธบายหลกการวเคราะห 5.7 จากรป จงอธบายรายละเอยดทเกยวของ

5.8 จากแตละโหมดการท างานของกลองจลทรรศนแรงอะตอม ทานคดวาลกษณะของ

ชนงานทเหมาะสมกบแตละโหมดควรเปนอยางไร 5.9 จงอธบายถง Single plus technique และ Sputter deposition คออะไร

Intensity (N)

E (keV)


บทท 6 วสดนาโน (Nanomaterials):

6.1 อนภาคนาโน (Nanoparticles) 6.1.1 ไทเทเนยมไดออกไซด (TiO2) 6.1.2 ซงกออกไซด (ZnO) 6.1.3 ซลเวอร (Ag)

6.2 วสดประกอบนาโน (Nanocomposite) 6.3 หมดควอนตม (Quantum dot) 6.4 ทอนาโนคารบอน (Nanotubes) เสนลวดนาโน (Nanowire) และโพรงนาโน

(Nanopores) 6.4.1 โครงสรางทอนาโนคารบอน 6.4.2 มดของทอนาโนคารบอน 6.4.3 การเตบโตของทอนาโนคารบอนและการวเคราะห 6.4.4 สมบตทางความรอนของทอนาโนคารบอน 6.4.5 ความจความรอนของทอนาโนคารบอน

6.5 บคกบอล (Bucky ball) 6.6 แกรไฟต (Graphite) และกราฟน (Graphene) 6.7 ฟลมบางนาโน (Thin film nanostructure)

146 บทท 6 : วสดนาโน

วสดนาโน (Nanomaterials) เปนวสดทไดจากการสงเคราะหหรอการบดอนภาคทมขนาดใหญใหมขนาดทเลกมากในระดบนาโนเมตร หรอวสดทเกดขนจากการจดเรยงตวของอะตอมหรอโมเลกลเขาดวยกนอยางแมนย าในระดบ 1-100 นาโนเมตร วสดนาโนจดเปนวสดทมโครงสราง และมสมบตทมประสทธภาพสงทสด สมบตและพฤตกรรมตางๆ ของวสดขนาดนาโน เชน สมบตทางแมเหลก สมบตทางไฟฟา สมบตเชงกล สมบตทางความรอน จะแตกตางไปจากวสดชนดเดยวกนทมขนาดใหญ โดยทวสดเหลานสามารถน าไปใชประโยชนไดในอตสาหกรรมหลายประเภท ซงปจจบนไดน าไปมาใชเปนสวนผสมในสนคาหลายประเภท

6.1 อนภาคนาโน (Nanoparticles) มการวจยและพฒนาอยางตอเนองในการสงเคราะหอนภาคนาโน ท งในเชง

อตสาหกรรม ดงนนจงมการศกษาวจยทพยายามสรางมลคาเพมจากอนภาคนาโน โดยการน าไปประยกตใชกบอปกรณตางๆ ตวอยางเชน ตวตรวจจบแกส (Gas sensor) อปกรณตรวจวนจฉย วสดดดซบกลน และสารพษ วสดเสรมแรง เปนตน ยกตวอยางอนภาคนาโน เชน ซงกออกไซด (ZnO) ไทเทเนยมไดออกไซด (TiO2) ทงสเตนออกไซด (WO3) ทนออกไซด (SnO2) แคดเมยมซลไฟต (CdS) และเหลกออกไซด (Fe2O3) เปนตน

6.1.1 ไทเทเนยมไดออกไซด (Titanium dioxide, TiO2) ไทเทเนยมไดออกไซด (TiO2) ประกอบดวยไทเทเนยมหนงอะตอม และออกซเจนสอง

อะตอม มลกษณะโปรงใส สะทอนแสงได และมสมบตในการก าจดสงสกปรก ซงไทเทเนยมไดออกไซดชนดผง เรยกวาไทเทเนยมขาว เปนสารทมสขาวบรสทธ ใชเปนตวเตมในการผลตสทาบาน เปนสขาวทดกวาสารสขาวอนๆ นอกจากนไทเทเนยมไดออกไซดยงไมมพษ สทมไทเทเนยมขาวผสมอยดวยเมอน าไปทาบาน สดงกลาวจะมสมบตตดทนนาน ไมเกดรอยดางด า เพราะวาเมอสมผสกบสารประกอบของก ามะถนกจะไมเกดเปนสด า ซงสทาบานทมตะกวปนจะเปนรอยด าไดงาย เพราะวาตะกวในสจะรวมกบสารประกอบของก ามะถนในอากาศเปนตะกวซลไฟดซงมสด า และนอกจากนไทเทเนยมไดออกไซดยงมสมบตทบแสง ชวยสะทอนรงสยวในแสงแดดซงสลายตวทอณหภมสง 1,560 องศาเซลเซยส ไทเทเนยมไดออกไซดนยมน ามาใชในอตสาหกรรมอาหาร ยาสฟน และเครองส าอาง ทงนจากสมบตทเปนผงสขาวและ

บทท 6 : วสดนาโน 147

สะทอนแสงไดด สามารถน ามาเปนสวนผสมในแปงทาผวหนาจะท าใหผวหนาดสวางและขาวขน

ไทเทเนยมไดออกไซดมเฟสของผลกอย 3 แบบคอ รไทล (Rutile) อนาเทส (Anatase) และบรไคท (Brookite) สนแรทส าคญทสดของไทเทเนยมคอ แรรไทล ซงมความสามารถในการเลยวเบนล าแสงใหเกดประกายไดดยงกวาเพชร แตไมแขงเทาเพชร เปนรอยไดงาย ไทเทเนยมไดออกไซดทมเฟสรไทลจะเปนเฟสทเสถยรในทางเทอรโมไดนามกสและทอณหภมสง โดยทวไปเฟสอนาเทสและบรไคทจะพบในธรรมชาต และมขนาดเลก แตเฟส อนาเทสมบทบาททส าคญส าหรบการเรงปฏกรยาดวยแสง

ตาราง 6.1 สมบตของไทเทเนยมไดออกไซดในเฟสของผลกแบบตางๆ โครงสราง สมบต

รไทล อนาเทส บรไคท

น าหนกโมเลกล 79.890 79.890 79.890 ความหนาแนน (g/cm3) 4.2743 3.895 4.123 ความถวงจ าเพาะ 3.90-4.10 3.90-4.10 3.90-4.10 จดหลอมเหลว (°C) 1,800-1,900 1,835 1,800-1,900 จดเดอด (°C) 2,500-3,000 2,500-3,000 2,500-3,000 โครงสรางผลก เตตระโกนอล เตตระโกนอล ออรโธรอมบก

ไทเทเนยมไดออกไซด เปนสารทไมมพษ มความปลอดภยเมอใชกบอาหาร ยา สทาบาน และเครองส าอาง แตในรปแบบของอนภาคขนาดเลกหรออนภาคขนาดนาโนของไทเทเนยมไดออกไซด ดวยความกาวหนาของเทคโนโลยท าใหสามารถสงเคราะหอนภาคในระดบนาโนไดอนภาคขนาดเลกกวา 0.1 ไมโครเมตร ของไทเทเนยมไดออกไซดในเฟส อนาเทส ท าใหเกดโรคไดหรอมผลตอเซลล ยงขนาดอนภาคเลกมากความเปนพษกยงมากขน


โดยขนาด 70 นาโมเมตร สามารถแทรกผานถงลมในปอดได ขนาด 50 นาโมเมตร สามารถแทรกผานเซลลได และขนาด 30 นาโมเมตร สามารถแทรกเขาสระบบประสาทสวนกลางได

อนภาคไทเทเนยมไดออกไซดทใชเปนสารกนแดดมขนาดเลกอาจจะสามารถแทรกผานเซลล และน าไปสการเกดกระบวนการโฟโตคะตะไลซส หรอปฏกรยาการยอยสลายดวยแสง (Photocatalysis) ภายในเซลลได และกอใหเกดความเสยหายแก DNA เมอไดรบแสง และอาจกอใหเกดมะเรงผวหนง ดงนนจงควรหลกเลยงการใชผลตภณฑทอนภาคของสารมขนาดเลกไมวาจะเปนสารกนแดดหรอเครองส าอาง

6.1.2 ซงกออกไซด (Zinc oxide, ZnO) อนภาคนาโนของซงกออกไซดเปนอนภาคทมขนาดประมาณ 20 นาโนเมตร มลกษณะ

เปนผงละเอยดสขาว เมอน ามาผานกระบวนการจดการกบโครงสรางของวสดนนๆจะท าใหมสมบตพเศษสามารถลดกลนอบชน และยบย งการเจรญเตบโตของเชอแบคทเรย ปองกนรงส UV-A และรงส UV-B ได ซงกออกไซดเปนสารกงตวน าทมชองวางแถบพลงงานกวาง (Wind band gap semiconductor) ซ งมคาชองวางแถบพลงงาน (Band gap) ท อณหภมหองเทากบ 3.2 อเลกตรอนโวลต มโครงสรางเปนแบบ Wurtzite hexagonal structure โดยมคาตวแปรของแลตทช (Lattice parameters) a = b = 3.24 องสตรอม (Å)และ c = 5.19 องสตรอม มคาความหนาแนนเปน 5.6 กรมตอลกบาศกเซนตเมตร และมจดหลอมเหลวอยทอณหภม 1,975 องศาเซลเซยส

ซงกออกไซดเปนวสดในกลมโลหะออกไซดทมการน ามาใชงานในรปแบบของวสดนาโน ตวอยางการใชอนภาคนาโนซงกออกไซด ไดแกการใชงานในกลมของอเลกทรอนกสหรออปกรณตรวจจบแกส ใชส าหรบการยบย งเชอแบคทเรย ใชในการบ าบดสงแวดลอมเนองจากมสมบตทดในดานการดดซบแสงและสมบตดานการเรงปฏกรยาดวยแสง นอกจากนยงใชในผลตภณฑเครองส าอาง และโลชนกนแดด ทงนเนองจากซงกออกไซดขนาดนาโนสามารถปองกนรงสอลตราไวโอเลตไดในระดบเดยวกบอนภาคซงกออกไซดขนาดใหญ แตการสงผานแสงดกวาท าใหไมทงรองรอยทเปนสขาวอยางชดเจนบนผวหนงเมอเทยบกบโลชนกนแดดทใชอนภาคใหญ


ตาราง 6.2 สมบตของซงกออกไซดขนาดนาโนเมตร

สมบต อนภาคนาโนซงกออกไซด สตรโมเลกล ZnO -

น าหนกโมเลกล 81.39 กรม/โมล ลกษณะทปรากฏ ผงสขาว - โครงสรางผลก Hexagonal - ความหนาแนน 5.6 กรมตอลกบาศกเซนตเมตร

pH 7-8 - จดหลอมเหลว 1975 องศาเซลเซยส

จดเดอด - องศาเซลเซยส

6.1.3 ซลเวอร (Silver, Ag) อนภาคขนาดนาโนของซลเวอรหรอโลหะเงนใชในผลตภณฑอปโภคบรโภคตางๆ

เชน การบรรจหบหออาหาร สงทอทตานทานการเกดกลน อปกรณเครองใชในบาน และอปกรณทางการแพทย รวมถงผาปดแผล ทงนเนองจากซลเวอรนาโนมประสทธภาพในการฆาเชอแบคทเรยไดเปนอยางด และจากสมบตนซลเวอรนาโนอาจท าลายแบคทเรยทมประโยชนทอยในระบบนเวศน เชน แบคทเรยในดนทมบทบาทส าคญในการตรงไนโตรเจนและยอยสลายสารอนทรย เปนตน ซลเวอรสามารถยบย งการเจรญเตบโตของจลนทรยดวยระดบความเขมขนทต ากวาโลหะหนกชนดอนๆ และความเปนพษของซลเวอรนาโนมากกวาซลเวอรในรปแบบกอน ซลเวอรมความเปนพษสงกวาโลหะอนทอยในรปของอนภาคนาโน

6.2 วสดประกอบนาโน (Nanocomposite) วสดประกอบนาโน หรอวสดผสม (Nanocomposite) เชนคอนกรต เกดขนจาก ทราย

หน ปน และเหลก ทระดบใหญมาก แตวสดผสมนาโนเปนการผสมผสานในระดบเลกมาก ท าใหแสดงคณสมบตพเศษในระดบอะตอมออกมา ตวอยางเชน แผนฟลมและบรรจภณฑท


ตานทานการซมผานของแกสและความชน วสดเสรมแรงเพอใชทางการแพทย วสดส าหรบเครองส าอาง ตวตรวจจบแกส เปนตน

วส ดผสมระดบนาโน เปนวส ดผสมส งเคราะห ท ม เนอว ส ดหลายอยางผสมกน (Multiphase material) โดยทมเนอวสดหนงใดหรอหลายๆ เนอวสด เปนโครงสรางทมขนาดอยในชวงประมาณ 1-100 นาโนเมตร สามารถจ าแนกวสดผสมระดบนาโนไดเปน 3 ประเภท ดงน

- วสดผสมท มลกษณะแยกช นกน (Anolayers composite) เปนโครงสรางทประกอบขนมาจากเนอของวสดทมลกษณะเปนชนๆ โดยแตละชนมขนาดในระดบนาโนเมตร

- วส ดผสม ท มลกษณะแยก เปน เสนใย (Nanofilamentary composite) เปนโครงสรางทประกอบขนมาจากพนผวทมการผสมเสนใยระดบนาโนเมตรฝงตวไวในโครงสราง

- วสดผสมทมลกษณะแยกอนภาค (Nanoparticulate composite) เปนโครงสรางพนผวทมการผสมอนภาคทมขนาดระดบนาโนเมตรฝงตวไวภายในโครงสราง

วสดผสมระดบนาโนสวนใหญจะเปนโครงสรางแบบพอลเมอรทถกท าใหสรางพนธะกบชนผวของวสดเสนใยนาโนหรออนภาคนาโน เพอปรบปรงและผลตเปนวสดทมสมบตเฉพาะทดยงขน วสดนาโนชนดอนๆ ทสามารถเตมลงไปเพอสรางเปนวสดผสมระดบนาโนได เชน ทอนาโนคารบอน บคมนสเตอรฟลเลอรน แผนกราไฟต เสนใยนาโนคารบอน หรอเสนใยธรรมชาต ซงวสดตางๆ เหลานจะท าใหวสดผสมระดบนาโนมสมบตทดขน เชน สมบตทางดานการน าไฟฟา และการน าความรอน เปนตน

6.3 หมดควอนตม (Quantum dot) หมดควอนตม มลกษณะเปนจด หรอหมดระดบนาโน (Quantum dot) ซ งเปน

โครงสรางนาโนแบบ ศนยมต (Zero-dimensional nanostructure) กลาวคอไมมมต ในขณะทโครงสรางนาโนของอะตอมคารบอนแบบ 1 มต ไดแก ทอหรอลวดคารบอนนาโน โครงสรางนาโนแบบ 2 มต ไดแก แผนกราฟน และโครงสรางนาโนแบบ 3 มต ไดแก แทงกราไฟต โดยท




สมบตเชงแสงและคณสมบตทางอเลกทรอนกสของหมดควอนตมนาโน ขนอยกบขนาดของหมดนาโน ดงแสดงในภาพ 6.1

ภาพ 6.1 ความสมพนธระหวางระดบพลงงานกบความหนาแนนสถานะ (Ranade et al., 2002) หมดระดบนาโนเปนโครงสรางทมมตทางกายภาพทงสามมตถกจ ากดอยในชวงนาโน

เมตร วสดหรอโครงสรางทมระบบมตต า จะมสภาวะอเลกทรอนกสทมลกษณะไมตอเนอง ซงจะมคาไดอยางจ าเพาะเทานน ลกษณะเชนนเรยกวา ควอนไทเซชน (Quantization) การเกด ควอนไทเซชนทางอเลกทรอนกส ท าใหเกดสมบตใหมๆ และปรากฏการณใหมๆ ทางอเลกทรอนกสของสสาร การเปลยนแปลงโครงสรางอเลกทรอนกสของสสารตางๆ จะมผลใหสมบตของสสารเปลยนแปลงไปจากเดม เชน สมบตทางไฟฟา สมบตทางแมเหลก และสมบตทางแสง ยกตวอยางเชน คาพลงงานชองวางระหวางชนพลงงาน (Energy band gap) ของสาร กงตวน าจะแตกตางกนตามขนาดของอนภาคในระดบนาโน หมดควอนตมซงเปนอนภาคนาโนของสารกงตวน า หรอโลหะ จะมสสนทแตกตางกนไปตามขนาด และสวนประกอบของอนภาค เนองมาจากโครงสรางอเลกทรอนกสของหมดควอนตมมการเปลยนแปลงไปตามขนาดของหมด จงสามารถน าหมดควอนตมไปใชแทนสยอมฟลออเลสเซนต เพอใชในการตดฉลาก และยอมสเซลลสงมชวต หรอการใชหมดควอนตมเปนไดโอดเปลงแสง (LED) หรอน าไปใชแทนแสงเลเซอรในอปกรณโทรคมนาคมแบบเสนใยน าแสง (Fiber optic) นอกจากน

3 มต วสดหยาบ 3 มต บอควอนตม 1 มต ลวดควอนตม 0 มต หมดควอนตม

g (E) g (E) g (E) g (E)

E E E E


ยงสามารถประยกตใชหมดควอนตมส าหรบเปนชนสวนของอปกรณนาโนอเลกทรอนกส (Nanoelectronics) ชนดตางๆ ได

การเปลยนแปลงโครงสรางอเลกทรอนกสมผลตอสภาพการน าไฟฟาของโลหะ กลาวคอ โลหะแบบกอนใหญ (Bulk metal) จะมแถบการน า (Conduction band) ดงแสดงในภาพ 6.2 แตเมอโลหะมขนาดอนภาคเลกลงจะท าใหอเลกตรอนนอกสดถกกกขงอยในบรเวณทจ ากด ซงจะสงผลท าใหระดบชนพลงงานตางๆ ถกแยกออกเปนชนเดยวๆ อยางชดเจน คลายกบระดบชนพลงงานของอะตอมเดยว ท าใหสมบตทางไฟฟาของโลหะมการเปลยนแปลงระหวางการเปนโลหะกบฉนวน (Metal-insulator transition) ซงขนอยกบขนาดของอนภาค

ภาพ 6.2 ชองวางแถบพลงงานของสารกงตวน าแบบกอนใหญ และอนภาคขนาดนาโนของสารกงตวน า (Ranade et al., 2002)

พลงงาน

แถบน า

ชองวาง

แถบวาเลนซ

มลลเมตร

ผลกขนาดใหญ

อนภาคสารกงตวน า

นาโนเมตร

ชองวาง

แอนตบอนดง ออรบทอล

บอนดงออรบทอล


เมอว สดอยในสนามไฟฟาหรอสนามแม เหลก โครงสรางทางอเลกทรอนกส (Electronic structures) จะเปนตวก าหนดพฤตกรรมของอเลกตรอนในวสด เชน พฤตกรรมการเปนตวน า เปนสารกงตวน า หรอเปนฉนวน โดยทโครงสรางทางอเลกทรอนกสของวสดจะขนอยกบองคประกอบของอะตอมทอยภายในเนอวสด และลกษณะการจดเรยงตวของอะตอม โดยทวสดนาโนทกประเภท จะมมตทางกายภาพอยางนอยหนงมตทถกจ ากดขนาดไวใหอยในระดบนาโน จงเปนการบบบงคบใหอเลกตรอนในวสดนาโนสามารถเคลอนทไดในปรมาตรทจ ากดเทานน จงท าใหปรากฏการณทางควอนตมทถกกกขง (Quantum confinement) ปรากฏอยางขนชดเจน โดยทปรากฏการณดงกลาวไมเคยเกดขนหรอเกดขนนอยมากในวสดทมขนาดปกต

6.4 ทอนาโนคารบอน (Nanotubes) เสนลวดนาโน (Nanowire) และโพรงนาโน (Nanopores)

6.4.1 ทอนาโนคารบอน (Nanotubes) 6.4.1.1 โครงสรางทอนาโนคารบอน ทอนาโนคารบอนเปนวสดสงเคราะหทมลกษณะโครงสรางพเศษทแตกตางไป

จากอญรปทง 3 แบบของธาตคารบอน ซงกคอ เพชร กราไฟต และบคมนสเตอรฟลเลอรนโดยทอนาโนคารบอนเกดจากอะตอมคารบอนทจดเรยงตวกนเปนแผนทมความลนสง อะตอมคารบอนเหลานเชอมโยงกนเปนตาขายทมลกษณะเปนรปหกเหลยมมวนตวเขาหากนเปนทอ ท าใหโครงสรางนาโนนมสมบตทพเศษ

ทอนาโนคารบอน ดงแสดงในภาพ 6.3 เปนทอทมขนาดทเลกมากในระดบ นาโนเมตร มเสนผานศนยกลางของทออยในชวงประมาณ 0.4-4.0 นาโนเมตร และมความยาวประมาณ 10 ไมโครเมตร ทอนาโนคารบอนสงเคราะหแบงออกเปน 2 ลกษณะ ไดแก แบบมผนงชนเดยวหรอผนงเดยว (Single wall carbon nanotube, SWCNT) และแบบทเปนผนงหลายชน (Multi-wall carbon nanotube, MWCNT) ซงมลกษณะคลายกบการเอาทอเลกซอนกนในทอใหญหลายๆ ชน


ภาพ 6.3 ทอนาโนคารบอน (สถาบนนวตกรรมละพฒนากระบวนการเรยนร มหาวทยาลย มหดล, 2554)

6.4.1.2 มดของทอนาโนคารบอน การน าทอนาโนคารบอนมดรวมกนเปนเสนขนาดพนทหนาตดหนงตาราง

เซนตเมตร จะสามารถน ากระแสไฟฟาไดสงถงหนงพนลานแอมแปร ซงตองมวธปลกผลกใหไดในต าแหนงและทศทาง รวมทงขนาด และความยาวทควบคมไดอยางแมนย า นอกจากนมดของทอนาโนคารบอน จะใหคาความแขงแรงสงขน

6.4.1.3 การเตบโตของทอนาโนคารบอนและการวเคราะห การเตบโตของทอนาโนคารบอน มหลายวธ ซงแตละวธมขอดและขอเสย

แตกตางกนไป ทงในดานของขนาด เสนผานศนยกลาง ความยาว ปรมาณ คณภาพ และความบรสทธของทอนาโนคารบอนดงทไดกลาวไวแลวในบทท 4 หวขอการปลกผลก

6.4.1.4 สมบตของทอนาโนคารบอน ทอนาโนคารบอนเปนโครงสรางนาโนทมสมบตพเศษหลายดานทสามารถ

น ามาใชประโยชนไดอยางมากมาย ยกตวอยาง เชน - สมบตเชงกล

สมบตเชงกลของทอนาโนคารบอน คอ ทอนาโนคารบอนเปนโครงสรางนาโนทมความแขงแกรง น าหนกเบา และมความยดหยนอยางมาก มความแขงแกรงมากกวาเหลก 60 เทา และสามารถทนตอแรงดงไดมากกวาเลกถง 20 เทา จงไดมการ


น าทอนาโนคารบอนมาประยกตใชเปนวสดเสรมแรงในผลตภณฑหลายชนด ยกตวอยางเชน อปกรณกฬากอลฟ และเทนนส เปนตน

- สมบตทางความรอนและคาความจความรอนของทอนาโนคารบอน ทอนาโนสามารถทนความรอนไดสงถง 2,800 องศาเซลเซยส ใน

สญญากาศ และมคาการน าความรอนสงกวาเพชรถง 2 เทา รวมทงมคาความจความรอนจ าเพาะทสง

- สมบตทางไฟฟาของทอนาโนคารบอน สมบตทางไฟฟาของทอนาโนคารบอน คอ ทอนาโนคารบอน

สามารถประพฤตตวเปนไดท งสารกงตวน าหรอเซมคอนดคเตอร (Samiconductor) และเปนตวน าไฟฟายงยวดหรอซเปอรคอนดคเตอร (Superconductor) ซงตวน าไฟฟายงยวด เปนตวน าไฟฟาทไมมแรงตานไฟฟาเลย โดยสมบตดงกลาวนขนอยกบกระบวนการสงเคราะห การจดเรยงตวของอะตอมคารบอนตามผนงของทอ องคประกอบ และสารชนดอนทผสมลงไปในโครงสรางของทอนาโน

โครงสรางทเลกมากในระดบนาโนเมตรของทอนาโนคารบอนจะสามารถแสดงสมบตทางควอนตม คอ สามารถควบคมการไหลของอเลกตรอนแบบไมตอเนอง โดยอาจจะสามารถควบคมการไหลทละกลมของอเลกตรอน หรอควบคมการเคลอนทของอเลกตรอนทละตวได จงไดมการน ามาประยกตใชงานในการผลตเปนทรานซสเตอรทมความเรวสงและมความตานทานต ามาก รวมทงไดมการพฒนาเพอน าทอนาโนคารบอนมาประยกตใชแทนโลหะทเปนขวไฟฟาส าหรบจายอเลกตรอนในจอภาพแบบรงสแคโทดทใชในจอทวหรอจอคอมพวเตอร ซงใหความสม าเสมอและปรมาณทเพยงพอในการจายอเลกตรอน รวมทงมอายการใชงานของการจายอเลกตรอนนานกวา ทงยงไมจ าเปนตองใชในสญญากาศ จงเปนการประหยดพลงงานเนองจากสามารถจายอเลกตรอนไดทอณหภมหอง โดยไมจ าเปนตองเผาไสหลอดใหแดง เพราะในกรณการใชโลหะเปนไสหลอดจ าเปนตองเผาไสหลอดกอน


- สมบตทางชวภาพของทอนาโนคารบอน ทางดานนาโนเทคโนโลยชวภาพ ไดประยกตใชทอนาโน

คารบอนส าหรบเปนพาหะในการท ายนหรอพนธกรรมบ าบด (Gene therapy) คอ การน าสงยนทขาดหายไปหรอการน าสงยนทตองการใชในการรกษาโรคเขาสรางกายของผปวย เพอใชในการสรางโปรตนทเหมาะสม ส าหรบการรกษาโรค เชน โรคมะเรง โรคเอดส และโรคตดเชอ เปนตน

6.4.2 เสนลวดนาโน (Nano wires) เสนลวดนาโนเปนวสดสงเคราะหทมรปรางเปนเสนใน 1 มต และมขนาดเสนผาน

ศนยกลางทเลกมากในระดบนาโนเมตร (นอยกวา 100 นาโนเมตร) ดวยขนาดเลกระดบนาโนเมตร และมโครงสรางใน 1 มต ท าใหโครงสรางนาโนเกดปรากฎการณทางควอนตมเนองจากอเลกตรอนสามารถเคลอนทไดในทศทางเดยว เสนลวดนาโนสามารถสงเคราะหไดหลากหลายชนดแตกตางกน ตวอยางเชน เสนลวดนาโนของโลหะไดแก เสนลวดนาโนนกเกล เสนลวด นาโนแพลตนม เสนลวดนาโนทองค า เปนตน สวนเสนลวดนาโนของสารกงตวน า ไดแก เสนลวดนาโนซลกอน เปนตน และเสนลวดนาโนทเปนฉนวน ไดแกเสนลวดนาโนออกไซดของซลกอน เสนลวดนาโนออกไซดของไทเทเนยม เปนตน

6.4.3 โพรงนาโน (Nanopores) โพรงนาโน หรอรพรนนาโน (Nanopores) มลกษณะเปนรหรอชองลกขนาดเลกมาก ท

มขนาดเสนผานศนยกลางเรมต งแต 1 นาโนเมตร ไปจนถง 100 นาโนเมตร ซงสามารถสงเคราะหไดจากเครองมอตางๆ และเทคนคตางๆ เชน Focus ion beam (FIB) หรอจากการสงเคราะหโดยจดวางโมเลกลอยางเปนระเบยบไดดวยตนเอง (Self-assembly) ของโมเลกล เปนตน

6.5 บคมนสเตอรฟลเลอรน หรอบคกบอล (Bucky ball) บคมนสเตอรฟลเลอรน หรอบคกบอล (Bucky ball) ดงแสดงในภาพ 6.4 เปน

โครงสรางนาโนทมขนาดเสนผานศนยกลางประมาณ 1 นาโนเมตร บคกบอลเปนโครงสรางโมเลกลทประกอบขนจากอะตอมของธาตคารบอนจ านวน 60 อะตอม (สญลกษณทางเคมคอ




C60) เชอมตอกนเปนโครงสรางลกษณะรปทรงกลมคลายกบลกฟตบอล ซงประกอบดวยวงหกเหลยมของคารบอน (Hexagons) จ านวน 20 วง และวงหาเหลยม (Pentagons) จ านวน 12 วง บคกบอลจดเปนสารในกลมฟลเลอรน (Fullerenes) ซงฟลเลอรนเปนอญรป (Allotrope) แบบท 3 ของธาตคารบอน โดยอญรปแบบท 1 ไดแก เพชร และอญรปแบบท 2 ไดแก กราไฟต หรอถาน

ภาพ 6.4 โครงสรางนาโนของบคมนสเตอรฟลเลอรน หรอบคกบอล (สถาบนนวตกรรมละพฒนากระบวนการเรยนร มหาวทยาลยมหดล, 2554)

ลกษณะรปทรงกลมเหมอนกบลกฟตบอลของโมเลกลของคารบอนจ านวน 60 อะตอม

เชอมตอกนเปน เปนโครงสรางทมความสมบรณ และมความเสถยรมากทสด มความแขงแรงมาก ซงโครงสรางในลกษณะนสามารถรองรบ และถายเทแรงภายในโครงสรางไดเปนอยางด เมอน าอะตอมของธาตทเปน อลคาไล (Alkali) เชน โซเดยม หรอโปแตสเซยม จ านวน 3 อะตอมมายดตดกบฟลเลอรนจะท าใหเกดวสดพเศษทมการน าไฟฟายงยวด หรอไมมความตานทานไฟฟาเลยทอณหภมประมาณ 20-40 เคลวล ทงนฟลเลอรนสามารถยดตดกบอะตอมของอลคาไลได เพราะมสมบตเปนลบในทางเคม ในขณะทโลหะอลคาไลมสมบตเปนบวกจงท าใหสามารถจบคกนไดเปนอยางด

สมบตทางการแพทยของบคมนสเตอรฟลเลอรน สามารถใชเปนยาในการตอตานเชอไวรสเอชไอว (HIV) หรอไวรสเอดส สามารถใชเปนสารตอตานเชอแบคทเรย นอกจากนยงสามารถน าบค กบอลไปใชประโยชนในดานนาโนอ เลกทรอนกส (Nanoelectronics)


เนองจากบคกบอลมสมบตเปนสารกงตวน า (Semiconductor) และถาประกอบโครงสรางโมเลกลของบคกบอลรวมกนกบอะตอมของโลหะอลคาไลน จะท าใหกลมโมเลกลของบคกบอลมคณสมบตเปนตวน ายงยวด (Superconductor) ซงมประโยชนอยางมากทางดานนาโนอเลกทรอนกส

6.6 กราฟน (Graphene) กราฟน (Graphene) มโครงสรางทเกดจากการจดเรยงตวของอะตอมคารบอนแบบวง

หกเหลยม (Hexagonal configuration) ในแนวระนาบ 2 มต หลายๆวงตอกนเปนชนเดยว เกดเปนแผนกราฟนขนาดนาโน ดงแสดงในภาพ 6.5 กราฟนคนพบครงแรกในป พ.ศ. 2547 โดยนกวทยาศาสตรชาวรสเซย ชอ ดร.องเดรไกม (Andre Geim) และดร.คอน สแตนตน โนโวเซลอฟ (Konstantin Novoselov) โดยท งคไดท าใหแกรไฟตบางลงจนเหลอเพยงช นเดยว มความหนาเทากบอะตอมเดยว ทมความเสถยรในสภาวะธรรมชาต และไดเรยกวสดนวา กราฟน(Graphene) การคนพบนท าใหทงคไดรบรางวลโนเบลสาขาฟสกสในป ค.ศ. 2010

ภาพ 6.5 บคกบอล ทอนาโนคารบอน กราไฟต และกราฟน (Williams et al., 2007)

กราฟน

กราไฟต

ทอนาโนคารบอน

บคกบอล


สมบตการน าไฟฟาของกราฟนมมากกวาทอนาโนคารบอนแบบวงเดยวถงสองเทา ดงนนจงมการน ากราฟนมาประยกตใชเปนวสดทางอเลกทรอนกสมากมาย เชน ทรานซสเตอร (Transistor) อปกรณบนทกความจ า (Memory device) เซลลแสงอาทตย (Solar cell) และเซนเซอรทางเคมไฟฟา (Electrochemical sensor) เปนตน

จากสมบตทบางทสดมความหนาเพยงอะตอมเดยว แสงสามารถสองผานไดเปนวสดชนดแรกทมเพยง 2 มต (กวาง x ยาว) รวมท งการจดเรยงตวอยางเปนระเบยบของอะตอมคารบอนท าใหกราฟนเปนวสดทแขงทสด กราฟนแขงกวาเหลกประมาณ 5 เทา ฉกขาดไดยาก นอกจากนยงสามารถบด งอ มวน หรอพบได โดยไมเกดความเสยหายตอโมเลกล นอกจากนจากการจดเรยงตวทเปนระเบยบของอะตอมคารบอน ท าใหกราฟนน าความรอน และน าไฟฟาไดอยางดเยยม เพราะในโครงสรางของกราฟน กระแสอเลกตรอนทไหลผานจะไมกระจดกระจาย ความตานทานไฟฟาจงต ามาก ถงแมวาคาการน าไฟฟาจะนอยกวาตวน าไฟฟายงยวด (Superconductor) แตกราฟนน าไฟฟาไดดมากทอณหภมหอง ซงตางจากตวน าไฟฟายงยวดทตองลดอณหภมจนตดลบประมาณ -100 องศาเซยลเซยส จงจะสามารถน าไฟฟาไดทอณหภมหอง

6.7 ฟลมบางนาโน (Thin film nanostructure)

ฟลมบางนาโน เปนฟลมทมขนาดความบางอยในระดบนาโนเมตร สามารถน ามาประยกตใชในอปกรณอเลกทรอนกสตางๆ เชนฟลมบางอนทรย สามารถน ามาประยกตใชในหลอดไฟแบบแบนเรยบ และเซลลแสงอาทตยชนดอนทรย (Organic solar cells) เปนตน การเตรยมฟลมบางในระดบนาโน สามารถเตรยมไดหลายวธ เชน การหมนเหวยง (Spin coating) การระเหยกลายเปนไอ (Evaporation) การเคลอบแบบสปตเตอรรง (Sputtering) และการตกสะสมไอสารดวยวธการทางเคม (Chemical vapor deposition) เปนตน


บรรณานกรม 1. ธรเกยรต เกดเจรญ. 2005. ประเทศไทยกบนาโนเทคโนโลย. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา

http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/nano/Thainano.pdf (15 มนาคม 2555) 2. ประยร สงสรฤทธกล. เทคโนโลยวสด และวสดนาโน. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา

http://science.sut.ac.th/physics/courses/105113/55-T3/Lecture/Man%20&%20Tec %2008%20-%20Materials%20Technology%20(Handouts).pdf (15 มนาคม 2555)

3. ยทธนา พมพทองงาม. 2551. การพฒนาอปกรณรบรแกสเอทลนจากสารเชงประกอบระดบนาโนทงสเตนออกไซด-ทนออกไซด. รายงานการวจยเรอง. มหาวทยาลยราชภฏสวนดสต

4. สถาบนนวตกรรมละพฒนากระบวนการเรยนร มหาวทยาลยมหดล. 2554 . นาโนเทคโนโลยจากระบบธรรมชาตสการสงเคราะห. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/nano/Page/Unit3-7.html (15 มนาคม 2555)

5. สพณ แสงสข. 2550. นาโนเทคโนโลยและความปลอดภย. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.chemtrack.org/News-Detail.asp?TID=5&ID=1 (15 มนาคม 2555)

6. ส านกงานวทยาศาสตรและเทคโนโลยแหงชาต. 2554. กราฟน (Graphene). [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.nstda.or.th/nstda-knowledge/3895-graphene (15 มนาคม 2555)

7. Ashley, S. 2009. Grinding out graphene, Scientific American. 20-21. 8. Dechsakulthorn, F., Hayes, A., Bakand, L.J., Winder Ch. 2007. In vitro cytotoxicity

assessment of selected nanoparticles using human skin fibroblasts. AATEX. 14: 397-400.

9. Dhange, S.R., Choube, V.D., Samuel, V., Ravi, V. 2004. Synthesis of nanocrystalline TiO2 at 100๐C. J. Mater. Chem. 58: 2310-2313.

10. Geim, A.K., Kim, P. 2008. Carbon wonderland, Scientific American. 90-97.

http://science.sut.ac.th/physics/courses/105113/55-T3/Lecture/Man%20&%20Tec%20%2008%20-%20Materials%20Technology%20(Handouts).pdf

http://science.sut.ac.th/physics/courses/105113/55-T3/Lecture/Man%20&%20Tec%20%2008%20-%20Materials%20Technology%20(Handouts).pdf

tp://www.il.mahidol.ac.th/e-me

http://www.chemtrack.org/News-Detail.asp?TID=5&ID=1

http://www.nstda.or.th/nstda-knowledge/3895-graphene


11. Geim, A.K., MacDonald, A.H. 2007. Graphene: exploring carbon flatland, Phys. Today, 60: 35–41.

12. Geim, A.K., Novoselov, K.S. 2007. The rise of graphene, Nature Mater. 6: 183–191. 13. Heinlaan, M., Ivask, A., Blinova, I., Dubourguier, H-Ch., Kahru, A. 2008. Toxicity of

nanosized and bulk ZnO, CuO and TiO2 to bacteria vibrio fischeri and crustaceans daphnia and thamnocephalusplatyurus. Chemosphere. 71: 1308-1316.

14. Nobelprize.org. All about the nobel prize awarded achievements. [Online]. Available http://www.nobelprize.org/ (15 March 2012)

15. Ranade, M.R., Navrotsky, A., Zhang, H.Z., Banfield, J.F., Elder, S.H., Zaban, A., Borse, P.H., Kulkarni, S.K., Doran, G.S., Whitfield, H.J. 2002. Energetics of nanocrystalline TiO2. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99: 6476-6781.

16. Senjen, R., 2007. Nanosilver a threat to soil, water and human health. [Online]. Available http://nano.foe.org.au/node/190 (15 March 2012)

17. Wang, B., Feng, W., Wang, M., Wang, T., Gu, Y., Zhu, M., Ouyang, H., Shi, J., Zhang, F., Zhao, Y., Chai, Z, Wang, H., Wang, J. 2008. Acute toxicological impact of nano- and submicro-scaled zinc oxide powder on healthy adult mice. J. Nano. Res. 10: 263-276.

18. Williams, J.R., DiCarlo, L. Marcus. C.M. 2007. Quantum hall effect in a graphene p-n junction. Science. 2: 1-4.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11880610

http://nano.foe.org.au/node/190

http://arxiv.org/find/cond-mat/1/au:+Williams_J/0/1/0/all/0/1

http://arxiv.org/find/cond-mat/1/au:+DiCarlo_L/0/1/0/all/0/1

http://arxiv.org/find/cond-mat/1/au:+Marcus_C/0/1/0/all/0/1



6.1 อนภาคนาโนไทเทเนยมไดออกไซดใชในการผลตวสดประเภทใด และมสมบ ตอยางไร

6.2 ความสามารถในการประกอบตวเองไดแบบพอลเมอรทเปนฟลมบางระดบนาโน ถกน ามาใชในการผลตผลตภณฑชนดใด

6.3 ทอนาโนคารบอนถกน ามาใชในการผลตสงใด เพอวตถประสงคใดของผลตภณฑทจะไดรบ

6.4 อนภาคนาโนใดเหมาะแกการน ามาใชส าหรบผลตผลตภณฑทใชในการรกษาบาดแผล หรอใชในการฆาเชอโรค

6.5 โครงสรางนาโนใดทถกน ามาใชส าหรบผลตภณฑทเกยวกบครมบ ารงผว หรอเครองส าอางทนยมอยางแพรหลายในปจจบน

6.6 บคมนสเตอรฟลเลอรน หรอบคกบอล คออะไร มสมบตอยางไร และถกน าไปใชประโยชนอยางไรไดบาง

6.7 รไทล (Rutile) อนาเทส (Anatase) และบรไคท (Brookite) คออะไร แตกตางกนอยางไร อธบาย

6.8 ควอนไทเซชน (Quantization) คออะไร และมผลน าไปสการเกดสมบตใหมๆ และปรากฏการณใหมๆ อะไรไดบาง

6.9 Nanofilamentary composite และ Nanocomposite แตกตางกนอยางไร อธบาย 6.10 Endohedral fullerene และ Metallofullerene แตกตางกนอยางไร อธบาย 6.11 จงอธบายสมบตของ Nanotubes และ Nanopores 6.12 กราฟน (Graphene) คออะไร มสมบตอยางไร และน าไปใชประโยชนดานใดบาง

บทท 7 นาโนเทคโนโลยในดานตางๆ:

7.1 นาโนเทคโนโลยชวภาพและนาโนเทคโนโลยทางการแพทย 7.2 นาโนอเลกทรอนกส 7.3 นาโนคอมพวเตอร 7.4 ระบบเครองกลไฟฟาจลภาคหรอเมมส (Microelectromechanical systems, MEMs) 7.5 ระบบเครองกลไฟฟานาโนหรอเนมส (Nanoelectromechanical systems, NEMs) 7.6 นาโนเทคโนโลยกบการเกษตร 7.7 นาโนเทคโนโลยทางดานอาหาร

164 บทท 7 : นาโนเทคโนโลยในดานตางๆ

7.1 นาโนเทคโนโลยชวภาพ (Nanobiotechnology) และนาโนเทคโนโลยทางการแพทย นาโนเทคโนโลยชวภาพและนาโนเทคโนโลยทางการแพทย เปนเทคโนโลยท

เกยวของกบการศกษาวจยรวมทงการใชประโยชนจากระบบทางชวภาพ เชน เซลลโปรตน และกรดนวคลอก โดยการน ามาสงเคราะหโครงสรางทมขนาดเลกในระดบนาโนเมตร รวมทงการสรางอปกรณส าหรบการตรวจวนจฉยโรคทสามารถน ามาใชประโยชนในทางชวภาพได

ยกตวอยางการศกษาวจยทางดานนาโนเทคโนโลยชวภาพ เชน - การวเคราะหและตรวจวนจฉย เชน ไบโอเซนเซอร และหองปฏบตการบนไมโครชพ

เปนตน - การพฒนายาชนดใหม - การพฒนาวธการรกษาโรคแบบใหม - การพฒนาระบบน าสงยาน าวถ - การพฒนาทางวศวกรรมเนอเยอ และการแพทยเชงเสรมสราง - การเพมประสทธภาพของเครองส าอางโดยการพฒนาระบบน าสง เชน ไลโปโซม

(Liposome) - การพฒนาระบบน าสงยา (Drug delivery systems) ในการรกษาโรคมะเรง - การคนหายาหรอสารออกฤทธชนดใหมๆ เชน ยายบย งโรคเอดส - การพฒนาวธการตรวจวนจฉยโรคแบบใหม เชน ไมโครชพคนหายน (DNA chip) - การพฒนาตวตรวจจบทางชวภาพ (Nanobiosensor) เพ อใชประโยชนทางดาน

การเกษตร และสาธารณสข เปนตน - การสรางอวยวะหรอเนอเยอเทยมโดยใชเทคโนโลยวศวกรรมเนอเยอ

7.1.1 ไมโครชพ ไมโครชพคนหายน (DNA chip) ไมโครชพคนหายน เปนไมโครชพส าหรบใชในการคนหายนของสงมชวต มลกษณะ

เปนแผนกระจกขนาดเลก สรางขนดวยกระบวนการทคลายกบการสรางไมโครชพคอมพวเตอร บนผวของไมโครชพคนหายนแตละแผนจะฉาบดวยดเอนเอสงเคราะหท เปนสายเดยว

บทท 7 : นาโนเทคโนโลยในดานตางๆ 165

(Synthetic single stranded DNA sequence) ซ งมลกษณะเหมอนกบดเอนเอในสภาพปกต ไมโครชพคนหายนใชเพอตรวจหาการตอบสนองตอยาของผปวย เพอคนหายนทอาจกอใหเกดโรคในอนาคต เชน โรคทางพนธกรรมตางๆ เชน โรคเบาหวาน และโรคหวใจ หรอในทางการเกษตรเพอคนหายนทตานทานโรค และแมลง รวมท งยนส าคญทมผลตอการควบคมปรมาณ และคณภาพของผลผลต ทงยงสามารถใชในการตรวจหายนมะเรงเตานม และมะเรง รงไข เปนตน

การวเคราะหทางการแพทยเพอพจารณาวาบคคลนนมยนทกอใหเกดโรคหรอไม สามารถท าไดโดยการน าตวอยางททราบแนชดวาไมเปนโรคมาเปรยบเทยบกบตวอยางทตองการตรวจสอบ โดยน าเลอดของบคคลนนมาแยกดเอนเอยอยแลวยอมส (Fluorescence) จากนนหยดลงบนแผน DNA ชพ ถาสทยอมตดกบแผนชพอยางปกตแสดงวาบคคลนนไมมยนทผดปกต แตถามยนผดปกต สจะไมตดกบแผน DNA ชพในบรเวณทมความผดปกตของยน

ไมโครชพชวยปลดปลอยยา ไมโครชพชวยปลดปลอยยาเปนไมโครชพทมชองส าหรบบรรจยาทปดดวยแผนทอง

บางๆ เมอใหกระแสไฟฟาตามทก าหนดไว แผนทองกจะละลายพรอมทงปลดปลอยยาออกมา ทงนเพอสามารถใหยาเปนระยะๆ ตามล าดบความตองการของโรคในรางกาย

7.1.2 นาโนเทคโนโลยกบการรกษาโรคมะเรง มการพฒนาอปกรณขนาดจวโดยใชเทคโนโลยดานนาโนส าหรบเปนพาหนะน ายา

ปองกนมะเรงเขาสรางกาย โดยการพฒนาคานของกลองจลทรรศนแรงอะตอม (Atomic force microscope, AFM) ดงแสดงในภาพ 7.1 เพอตรวจสอบมะเรงในระยะแรก โดยทปลายของคาน สามารถดกจบโมเลกลของสารทพบบนเซลลมะเรง เชน สายดเอนเอหรอโปรตน เมอท าการสแกนดวยปลายของคาน ผานเซลล และพบโมเลกลดงกลาว จะท าใหเกดการเปลยนแปลงคาแรงตงผว เปนผลใหเกดการงอของคาน ซงท าใหทราบไดวาเซลลชนดใดเปนเซลลมะเรง ซงมประโยชนตอการตรวจวนจฉยควบคไปกบการรกษา


ภาพ 7.1 การงอของคาน เมอมการจบกนระหวางแอนตบอดและแอนตเจนบนเซลลมะเรงตอมลกหมากท าใหเกดการสะทอนแสงทเปลยนไป (อรชา, 2552)

การใชทอนาโน (Nanotube) ในการตรวจวนจฉยมะเรง จากการตรวจการเปลยนแปลง

ของดเอน เอทผดปกตท มการเชอมตอกบ เนอราย โดยใชทอนาโนท มขนาดเลกกวาเสนผาศนยกลางของโมเลกลดเอนเอ สวนปลายของทอนาโนทเคลอนทไปบนผวของดเอนเอจะท าหนาทเพอตรวจสอบลกษณะภายนอก เมอพบจดทมความผดปรกต (Mutated region) กจะรายงานไปยงหนวยประมวลผล เพอตรวจสอบวาเปนเนอรายทจะเกดเปนมะเรงตอไปหรอไม อกวธหนงคอการใชโพรงนาโน (Nanopore) เพอตรวจสอบความผดปกตของดเอนเอวาเปนความผดปกตทอาจกอใหเกดมะเรงหรอไม โดนการผานสายดเอนเอของเนอเยอทตองการตรวจสอบลงไปในชองนาโน ดงแสดงในภาพ 7.2 ซงชองนจะยอมใหดเอนเอผานไดครงละ 1 สายเทานน ดงนนจงสามารถตดตามรปราง และคาล าดบของแตละสายเบสในสายดเอนเอ ซงเปนสมบตเฉพาะตวทสามารถท าใหแยกแยะล าดบเบสของดเอนเอทมความผดปกต และอาจกอใหเกดมะเรงได

Target molecule

Probe molecule

Cantiliver molecule

Target binding

Deflection

Chip

Chip


ภาพ 7.2 การตรวจสอบล าดบเบสบนดเอนเอดวยชองผานนาโน เพอตรวจสอบความผดปรกตเบองตนในการวนจฉยมะเรง (อรชา, 2552)

การใชหมดควอนตม (Quantum dot) ในการตรวจหาต าแหนงของเนอเยอของมะเรง เนองจากหมดควอนตม เปนโมเลกลครสตลในระดบนาโนเมตรของสารกงตวน า ทสามารถเกดการเปลงแสงไดเมอมการกระตนดวยรงสอลตราไวโอเลต ซงความยาวคลนหรอสทเกดขนจะขนอยกบขนาดของผลกครสตล โดยในการตรวจหาต าแหนงจะท าการตดสารแอนตบอดไวกบหมดควอนตม ซงแอนตบอดนจะมความเฉพาะเจาะจงกบแอนตเจนบนผวเซลลมะเรงทตองการทดสอบ โดยภายหลงจากการถกกระตนดวยรงสอลตราไวโอเลต จากภายนอกรางกาย จะท าใหเกดการเปลงแสงจากหมดควอนตม ท าใหแพทยสามารถทราบต าแหนงของเนอเยอทเกดโรคได

Single strand DNA molecule



Nanopore

Nanopore

Nanopore

A T

G C

T

A


ส าหรบการรกษาโรคมะเรง สามารถใชอนภาคนาโน (Nanoparticles) ทภายในบรรจสารส าหรบการรกษา โดยเมอน าเขาสรางกายของผปวยโดยการฉดเขาเสนเลอด สามารถคนหาต าแหนงของเซลลมะเรง และเมอพบต าแหนงของเซลลมะเรง อนภาคนาโนจะสามารถท าการรกษาโดยการปลดปลอยยาออกมา ทงยงสามารถเปนตวบอกต าแหนงของเซลลมะเรง

การใชคารบอน 60 อะตอม (C60) ในรปแบบทรงกลมหรอบคกบอล (Buckyball) ในการพฒนาระบบน าสงยาเพอการท าเคมบ าบด โดยการเคลอบยาส าหรบการรกษาโรคทผวของบคกบอล หรอบรรจสารกมมนตรงส เชน เรดอน (Radon) และแอกตเนยม-225 (Actinium-225) ไวภายในบคกบอล และตดแอนตบอดทเฉพาะเจาะจงกบเซลลมะเรงเปาหมายเพอเปนตวพาบคกบอลนนไปยงเปาหมายไดอยางถกตองและแมนย า ซงสารกมมนตรงสจะไมออกมาภายนอกจนกวาจะถงเซลลเปาหมาย

7.1.3 นาโนไบโอเซนเซอร (Nanobiosensor) ไบโอเซนเซอร (Biosensor) เปนอปกรณตรวจจบทางชวภาพส าหรบตรวจวเคราะห

สารตวอยาง ซงสามารถตรวจวเคราะหไดอยางเฉพาะเจาะจง รวมทงสามารถใชตรวจวเคราะหสารตางๆ ไดหลากหลายชนด ไบโอเซนเซอรประกอบดวยตวแปลงสญญาณและสารชวภาพ ซงเปน 2 สวนทส าคญ

ส าหรบนาโนไบโอเซนเซอร เปนตวตรวจวดชนดหนงทมขนาดเสนผานศนยกลางอยในระดบนาโนเมตร ประกอบดวยโครงสราง 2 สวนทส าคญคอ ตวรบ (Receptor unit) และตวใหหรอแปลสญญาณ (Transducer หรอ Signaling unit) สญญาณทนาโนไบโอเซนเซอรตรวจวดแบงไดเปนหลายชนด ไดแก นาโนเซนเซอรเชงแสง (Optical nanosensor) และนาโนเซนเซอรทางเคมไฟฟา (Electrochemical nanosensor) เปนตน

นาโนไบโอเซนเซอรสามารถประยกตใชงานไดในหลายดาน ยกตวอยางเชน - ดานการแพทย ใชไบโอเซนเซอรตรวจวดกลโคสในผปวยโรคเบาหวาน ตรวจวด

เชอโรคตางๆ รวมทงเชอไวรสไขเลอดออก ตรวจวดฮอรโมน และสารเสพตดในปสสาวะ - ดานอตสาหกรรมอาหารและการเกษตร ใชไบโอเซนเซอรตรวจวดสารพษ เชอโรค

ปนเปอนในอาหาร สารปลอมปนในอาหารสงออก และสารตางๆ ทเกดขนในกระบวนการหมกในการผลตระดบอตสาหกรรม


- ดานสงแวดลอม ใชไบโอเซนเซอรตรวจวดสารพษ สารฆาแมลง โลหะหนก และสารมลพษทางอากาศ

- ดานการทหาร ใชไบโอเซนเซอรตรวจวดอาวธทางชวภาพ หรออาวธเชอโรค และสารพษในยา เปนตน

7.2 นาโนอเลกทรอนกส (Nanoelectronics) นาโนอเลกทรอนกส (Nanoelectronics) เปนการประยกตใชนาโนเทคโนโลยในการ

พฒนาผลตภณฑใหมคณภาพและสามารถท างานไดอยางมประสทธภาพมากขน ตวอยางเชน การพฒนาระบบไฟฟาเครองกลขนาดเลก การผลตเซลลแสงอาทตย การพฒนานาโนซพท าใหคอมพวเตอรท างานไดรวดเรว และมประสทธภาพสง เปนตน

จากปญหาในการผลตแผงวงจรรวมหรอไอซโดยใชซลกอนซงเปนสารกงตวน า ในการผลตทรานซสเตอรส าหรบท าชพซงตองการขนตอนทอาศยความแมนย า และความสะอาดสง ทงยงตองอาศยความรวมมอของผเชยวชาญหลากหลายสาขา รวมทงขนาดของไมโครชพ ทพยายามลดขนาดลงไปจนถง 0.05 ไมโครเมตร ซงชพดงกลาวมราคาแพงมาก จากปญหาดงกลาวจงน าไปสการสรางวงจรอเลกทรอนกสดวยโมเลกล (Molecular electronics) โดยอปกรณแตละตวเปนแบบอเลกตรอนเดยว (Single electron devices) และโมเลกลทใชมสมบตเปนเรคตไฟเออร (Rectifier) ซงกคอไดโอด เปนอปกรณพนฐานของวงจรอเลกทรอนกส อยางไรกตามการตอเรคตไฟเออรดงกลาวเพอสรางเปนวงจรอเลกทรอนกสทท างานอยางสมบรณ ในปจจบนยงไมสามารถท าได นอกจากเรคตไฟเออรแลวทรานซสเตอร ซงเปนหนวยยอยพนฐานหนวยหนงทจ าเปนส าหรบการสรางวงจรอเลกทรอนกส ซงในปจจบนมการใชทอนาโนคารบอน (Carbon nanotube) ซงมแถบการน าไฟฟา (Conduction band) ทสามารถน าอเลกตรอนไดด สามารถท าเปนสายไฟระดบโมเลกลได

นาโนอเลกทรอนกสอกตวอยางหนงคอ จมกอเลกทรอนกสใชส าหรบตรวจหาเชอแอนแทรกซทมความแมนย าและรวดเรว โดยใชสมบตทางอเลกทรอนกสของโมเลกล พอลเมอรทน าไฟฟาไดเพอเปนกลไกในการตรวจจบ


7.3 นาโนคอมพวเตอร คอมพวเตอรและอปกรณอเลกทรอนกสชนดตางๆในปจจบนไดถกท าใหมขนาดเลก

ลงและมน าหนกเบา เชน Smart phone, iPhone, iPad และ Tablet เปนตน แตอปกรณเหลานกลบสามารถท างานไดรวดเรวขน มระบบปฏบตงานทนาสนใจเพมขนเรอยๆ ทงนกเพอทจะเพมจ านวนทรานซสเตอรทบรรจอยในแผงวงจรรวม (Integratedcircuits; IC) ใหมากขน ซงจะสงผลใหอปกรณอเลกทรอนกสและคอมพวเตอรมขนาดเลกลง แตมประสทธภาพสง

ซลกอนเปนสารกงตวน าทจ าเปนตอการสรางทรานซสเตอรส าหรบประยกตใชในอปกรณไมโครอเลกทรอนกส เพราะวาซลกอนหาไดงาย ราคาถก ประสทธภาพด และสามารถผลตไดเปนจ านวนมาก อยางไรกตามทรานซสเตอรชนดซลกอนยงมขอจ ากดบางประการจากการพยายามลดขนาดใหมขนาดเลกลงและบางลง เพราะ ซลกอนมขอจ ากดทางฟสกสทรานซสเตอรชนดซลกอนทมขนาดเลกประมาณ 0.05 ไมโครเมตร จะไมสามารถตานกระแสไฟฟาได ซงมสาเหตดงนคอ

- อเลกตรอนทไหลผานทรานซสเตอรทมขนาดเทากบหรอเลกกวา 50 นาโนเมตร จะถกเรงจากสนามไฟฟาใหเคลอนทเรวขน จนท าใหเกดการรวไหลของอเลกตรอนออกจากทรานซสเตอรกลายเปนพลงงานความรอน

- เนองจากทรานซสเตอรมขนาดเลกมาก และอยใกลชดกนมากขน จนอาจเปนสาเหตใหอเลกตรอนสามารถเคลอนททะล (Tunneling) ผานเกทไปยงอกดานหนงของทรานซสเตอรไดโดยไมตองอาศยก าแพงศกย ซงเปนผลท าใหเกดการลดวงจรขนได

- ไมสามารถสรางวงจรไมโครอเลกทรอนกสทมขนาดเลกกวา 50 นาโนเมตร ได จากวธการสลกลวดลายวงจรดวยแสงอลตราไวโอเลต เพราะความยาวคลนของแสงยวมขนาดใหญกวารองของวงจรไมโครอเลกทรอนกสทอยบนแผนซลกอน

นอกจากนการลดขนาดของทรานซสเตอรส าหรบใชในอปกรณอเลกทรอนกส เชน ใชในวงจรไมโครชปตองใชตนทนในการผลตสง ดงนนในการผลตเชงพาณชยจงมขอจ ากด แตขอจ ากดนสามารถแกไขไดจากการพฒนานาโนคอมพวเตอรขนมา การพฒนาทางดานนาโนคอมพวเตอรแบงออกเปน 4 ประเภทดวยกนดงนคอ


7.3.1 นาโนคอมพวเตอรเชงอเลกทรอนกส (Electronic nanocomputer) นาโนคอมพวเตอรเชงอเลกทรอนกส เปนนาโนคอมพวเตอรทมพนฐานการสราง และ

การท างานคลายคลงกบคอมพวเตอรในปจจบนทอาศยหลกการเคลอนทของอเลกตรอนผานวงจรอเลกทรอนกส แตตางกนตรงทนาโนคอมพวเตอรอาศยการเคลอนทของอเลกตรอนเพยงตวเดยว หรอจ านวนนอยมาก

นาโนคอมพวเตอรเชงอเลกทรอนกสแบบสถานะของแขง (Solid state) เชงควอนตม (Solid-state quantum-effect nanoelectronic devices) เปนนาโนคอมพวเตอรทอาศยสถานะทางควอนตมของสารกงตวน า หรอสารประกอบโลหะหนกทใชประกอบวงจรมาใชในการควบคมการท างานของวงจรอเลกทรอนกส ซงเรมตนจากการทอเลกตรอนทอยดานหนงของวงจรกระโดดขามสงกดขวาง ซงเปนฉนวนไฟฟาหรอชองวางไปยงบรเวณ เกาะกลาง (Island) เลกๆ ทสงเคราะหขนจากสารกงตวน าหรอออกไซดของสารประกอบโลหะหนก ไปยงอกดานหนงของวงจร ซงคลายคลงกบการเคลอนทของอเลกตรอนจาก Source ผาน Gate ไปยง Drain ของทรานซสเตอรในยคไมโครอเลกทรอนกส นาโนคอมพวเตอรชนดนสามารถยอขนาดของวงจรไมโครอเลกทรอนกสใหเลกลงไดนอยทสดประมาณ 25 เทา โดยมวงจรขนาด 5 ถง 10 นาโนเมตร

นาโนอ เลกทรอนกส เช งโม เลกล (Molecular electronic devices) การใชพนธะ โควาเลนทของโมเลกลตางๆ ท าหนาทแทนสายไฟและอปกรณทเปนสวตชปดและเปด กลาวคอ โมเลกลสามารถท าหนาทเปนไดโอด (Diode) ซงเปนองคประกอบพนฐานทส าคญชนหนงของวงจรอเลกทรอนกส ท าหนาทขยายสญญาณ โดยการกรองกระแสใหสามารถไหลผานไดทางเดยวโดยโมเลกลทมสมบตดงกลาวตองมปลายของโมเลกลดานหนงทท าหนาทใหอเลกตรอน และปลายอกดานหนงสามารถรบอเลกตรอน และมบางสวนของโมเลกลทอยระหวางกลางท าหนาทเปนตวขดขวางการไหลของอเลกตรอน เพอบงคบใหอเลกตรอนสามารถไหลผานโมเลกลไดเพยงทางเดยว

ทรานซสเตอรโมเลกลเปนโมเลกลทมสมบตเปนสวตช ท าหนาทยอมใหอเลกตรอนไหลผานหรอไมยอมใหอเลกตรอนไหลผานโมเลกล โดยขนอยกบการก าหนดการไหลของกระแสไฟฟาหรอความเขมแสง หรอท งสองอยางรวมกน โมเลกลเดยวทน ามาใชเปน


ทรานซสเตอรหรอสวตชโมเลกลมไดท งโมเลกลของสารอนทรย หรอโพลเมอรน าไฟฟา โมเลกลของสารทท าหนาทเปนสวตซนมขนาดเลกเพยง 1.5 นาโนเมตร หรอชปคอมพวเตอรทมพนท 1 ตารางเซนตเมตร สามารถบรรจสวตชโมเลกลแบบนได 1 ลานลานโมเลกล ดงนนถานาโนคอมพวเตอรแบบอเลกทรอนกสเชงโมเลกลท างานไดจรง จะท าใหคอมพวเตอรมขนาดเลกลงและมประสทธภาพสง

ภาพ 7.3 (ก) ทอนาโนคารบอนมสมบตทางไฟฟาท ขนอยกบการจดเรยงตวของอะตอมคารบอน เชน ถาโครงสรางของวงเบนซนเรยงตวตงฉากกบแกนตามแนวยาวของทอจะท าใหทอนาโนมสมบตเปนโลหะสามารถน าไฟฟาได (ดานบน) แตถาวงเบนซนเรยงตวขนานไปกบแกนตามยาวของทอจะท าใหทอนาโนมสมบตเปนสารกงตวน า (ดานลาง) (ข) ลกษณะของทรานซสเตอรทมทอนาโนคารบอนท าหนาทเปนเกท (Gate) (ณฐพนธ, 2011)

ทอนาโนคารบอน (Carbon nanotubes) ดงแสดงในภาพ 7.3 ไดรบความสนใจในการน ามาประยกตใชในงานทางนาโนอเลกทรอนกส เนองจากการทผนงดานในของทอมแถบน าไฟฟาทสามารถน าไฟฟาไดด โดยไมมความตานทาน (Superconductors) จงท าใหทอนาโนคารบอนถกน ามาใชเปนสายไฟโมเลกลในวงจรนาโนอเลกทรอนกสไดเปนอยางด นอกจากน

Nanotube

(ก) (ข)

Silicon gate

Silicon oxide S D


สมบตการน าไฟฟาของทอนาโนคารบอนยงเปลยนแปลงไปตามขนาด ความยาว และเกลยวการหมนของทอจงท าใหทอนาโนคารบอนถกน ามาใชในการสรางทรานซสเตอรโมเลกล

7.3.2 น า โน ค อ ม พ ว เต อ ร เ ช ง ช ว เค ม ห ร อ เค ม (Biochemical or chemical nanocomputer)

นาโนคอมพวเตอรเชงชวเคมหรอเคม ท างานไดจากการสรางหรอสลายพนธะทางเคมหรอชวเคม โดยทสามารถเกบขอมล และท างานไดจากการปรบเปลยนการจดเรยงตวของโครงสรางทางเคม และโครงสรางโมเลกลของสารตางๆ หรอจากการวดปฏกรยาเคมทเกดขนระหวางสารตางๆ ยกตวอยางเชน คอมพวเตอรดเอนเอ (DNA computer) เนองจากดเอนเอมสมบตหลายประการทสามารถน ามาใชเปนนาโนคอมพวเตอรได ขอมลทถกจดเกบไวในสายเกลยวคทเปนรหส 3 ตวสลบไปมาระหวางเบส 4 ตวคอ A T G และ C ท าใหสามารถทราบระบบการท างานของรางกายทซบซอนมากได สายดเอนเอทมความยาว 1 นวสามารถเกบขอมลไดถง 100 ลานบต

7.3.3 นาโนคอมพวเตอรเชงควอนตม (Quantum nanocomputer) นาโนคอมพวเตอรเชงควอนตม อาศยการท างานตามสถานะทางควอนตม (Quantum

state) สามารถสรางใหมความหนาแนนของวงจรสงมากได ท างานไดจากการควบคมสนามแมเหลกรอบๆ ท าใหประมวลผลไดอยางรวดเรวเมอเทยบกบคอมพวเตอรในปจจบนทการประมวลผลท าไดเพยงทละค าสงเทานน ดงนนการถอดรหสลบตางๆ ทยากในปจจบนกจะงายขน

7.4 ระบบเครองกลไฟฟาจลภาคหรอเมมส (Microelectromechanical systems, MEMs)

ระบบเครองกลไฟฟาจลภาคหรอเมมส (Micro-electromechanical systems, MEMS) เปนอปกรณทมขนาดเลกในระดบไมโครเมตร ประกอบดวยระบบไฟฟาและระบบกลไกเชงกล สรางขนดวยเทคโนโลยสารกงตวน า (Semiconductor) แบบเดยวกบทใชในการผลตวงจรรวมหรอไอซ (Integrated circuit, IC) แตอปกรณเมมสจะแตกตางไปจากอปกรณไมโครอเลกทรอนกสชนดอนตรงทเมมสสามารถท างานเชงกลได ตวอยางเชน การท างานรวมกนระหวางเซนเซอร และเอคทเอเตอร (Actuator) ทมขนาดในระดบไมโครเมตร ในลกษณะทเปน


งานเชงกล การพฒนาอตสาหกรรมทมความจ าเปนตองใชอปกรณเมมส เชน อตสาหกรรมเทคโนโลยสารสนเทศ เทคโนโลยหนยนต เทคโนโลยยานยนต เทคโนโลยชวภาพและการแพทย รวมทงเครองมอวดทางอตสาหกรรม เปนตน

ระบบไมโคร (Microsystem) เปนระบบการท างานรวมกนระหวางเครองกลระดบ ไมโคร (Micromechanical structure) ทท างานไดหลากหลาย (Multifunctional materials) และใชวงจรอเลกทรอนกสแบบใชแสง (Micro-/opto-electronic circuit) เปนระบบทใชในการผลตอปกรณอเลกทรอนกส เชน เอคทเอเตอร เครองสบฉดระดบไมโครเมตร (Micro-pump) วาลว (Valve) ตวตรวจจบ (Sensor) ทางกายภาพ ชวภาพ และเชงเคม เปนตน

7.5 ระบบเครองกลไฟฟานาโนหรอเนมส (Nanoelectromechanical systems, NEMs)

อปกรณเมมสไดรบการออกแบบใหมโครงสรางขนาดเลกลงจนถงระดบนาโน (นอยก ว า 100 น า โน เม ต ร ) ห ร อ เร ย ก ว า ร ะ บ บ เค ร อ ง ก ล ไ ฟ ฟ าน า โ น ห ร อ เน ม ส (Nanoelectromechanical systems, NEMs) ซ งค าดว าจะ เข าม าม บ ทบ าท ในก ารพฒ น าอตสาหกรรมดานตางๆ หรอสงเสรมความกาวหนาของวทยาการแขนงอนๆ เชน ทางดานการแพทย การโทรคมนาคมขนสง และเทคโนโลยอวกาศในอนาคต

7.6 นาโนเทคโนโลยกบการเกษตร (Agriculture nanotechnology) การน านาโนเทคโนโลยมาประยกตใชทางดานอตสาหกรรมอาหารและการเกษตร ม

จดประสงคเพอเปนการเสรมสรางความสามารถในการแขงขนของภาคการเกษตรและอตสาหกรรมอาหาร รวมท งคมครองความปลอดภยของผ บรโภค โดยมแนวทางการประยกตใชดงตอไปน

7.6.1 การเพมความปลอดภยในระหวางการผลตและการขนสงผลผลตทางการเกษตรและอาหาร (Food safety)

โดยการพฒนานาโนเซนเซอรส าหรบใชในการตรวจจบสารเคมตกคาง เชน สาร อะฟลาทอกซน (Aflatoxin) ในเมลดธญพช สารเรงเนอแดงทพบในเนอหม สารฟอกขาวหรอสารโซเดยมไฮโดรซลไฟต (Sodium hydrosulfite) ในผก และผลไมแปรรป สารบอแรกซ

http://www.google.co.th/url?sa=t&rct=j&q=%E0%B8%99%E0%B8%B2%E0%B9%82%E0%B8%99%E0%B9%80%E0%B8%97%E0%B8%84%E0%B9%82%E0%B8%99%E0%B9%82%E0%B8%A5%E0%B8%A2%E0%B8%B5%E0%B8%81%E0%B8%B1%E0%B8%9A%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B9%80%E0%B8%81%E0%B8%A9%E0%B8%95%E0%B8%A3&source=web&cd=2&ved=0CCoQFjAB&url=http%3A%2F%2Fnanotech.sc.mahidol.ac.th%2Fnano%2FNanoAgriculture.pdf&ei=3SONU6K-LMT48QWp4ILABA&usg=AFQjCNFgIPGlfVmYzlmYMQtywjFEoSXAdA&bvm=bv.68191837,d.dGc


(Borax) ทปนเปอนในเนอหม ลกชน และผลไมดอง สารฟอรมาลน (Formalin) ทปนเปอนในอาหารทะเลและเนอสตว และโลหะหนก เชน แคดเมยม (Cadmium) ในอาหารทะเล ยาปฏชวนะทตกคางในเนอสตว เชน คลอแรมเฟนคอล (Chloramphenicol) ในเนอไกและกง สารไนโตรฟแรนส (Nitrofurans) ในกง หรอจลนทรยกอโรคทปนเปอนในสนคาการเกษตร และอาหาร เปนตน

7.6.2 การพฒนาอปกรณนาโน (Nanodevices) และวสดนาโน (Nanomaterials) การใชดเอนเอชป (DNA chip) รวมกบขอมลชวสารสนเทศ (Bioinformatics) เพอ

ตรวจหายนทผดปกตทอาจกอใหเกดโรคกบพชหรอสตวเลยง หรอใชในการคนหายนทตานทานโรค และแมลงศตรพช รวมถงการคนหายนส าคญทท าหนาทควบคมการเจรญเตบโต ควบคมปรมาณ และคณภาพ และควบคมการตอบสนองตอสภาวะแวดลอมตางๆ ของพชและสตวแตละชนด หรอการพฒนาเครองตรวจวดนาโน (Nanodetector) ทมศกยภาพในการตรวจสอบการท างานของยนทแตกตางกนจ านวนหลายพนยนในจโนมของพชหรอสตวไดในเวลาเดยวกน ซงจะท าใหทราบอยางรวดเรววายนชนดใดทถกกระตนใหแสดงออก และยนชนดใดทถกยบย งการท างานระหวางทสตวก าลงเจรญเตบโตหรอปวยเปนโรค

7.6.3 การใชนาโนเทคโนโลยในการเฝาระวงและการปองกนสงแวดลอมตางๆ การพฒนานาโนเซนเซอรในการตรวจวดอณหภม ความชน ความเปนกรดดางของดน

ความเคมของดน ปรมาณสารอาหารในดน เชนไนเตรต (Nitrate) และฟอสเฟต (Phosphate) ปรมาณสารพษ เชนไดออกซน (Dioxins) ตลอดจนเชอกอโรคชนดตางๆ

7.6.4 การพฒนาว ธผลต ป ย ยาปราบ ศต รพ ช และสารป รบสภาพดน (Soil conditioners) ใหกลายเปนอนภาคนาโน (Nanoparticles)

ท าใหชวยลดปรมาณการใชปยเคม และยาปราบศตรพช ซงถอวาเปนการลดมลภาวะของดนในระยะยาว

7.6.5 การวจย และพฒนาเทคนคการแยกระดบนาโน (Nanoseparation) การแยกหรอการคดกรองเอนไซม ห รอชวโมเลกล ท ม คณคาตอการพฒนา

อตสาหกรรมการเกษตรและอาหาร


7.6.6 การใชนาโนเทคโนโลยในการเพมมลคาของสนคาทางการเกษตร และผลตภณฑอาหาร รวมทงการใชประโยชนจากวสดเหลอใชทางการเกษตรใหมคณคาทางอตสาหกรรม

การสกดแยกไคตน และไคโตซานจากเปลอกกง เพอน ามาใชเปนวตถดบในการสรางวสดน าสงยาหรอสารออกฤทธ เปนตน

7.6.7 การพฒนาตวเรงปฏกรยานาโน (Nanocatalysts) การผลตสนคาทางการเกษตร และอาหาร สามารถลดระยะเวลาใหสนลงได โดยการใช

ตวเรงปฏกรยานาโน เชน การใชอนภาคนาโนของทองในการลดระยะเวลาการหมกบมไวน หรอการใชตวเรงปฏกรยานาโนในการลดเวลาในการเปลยนสภาพของน ามนพช และวสดเหลอใชทางการเกษตรใหกลายเปนตวท าละลายทยอยสลายไดทางชวภาพ (Biodegradable solvents) และเชอเพลงชวภาพ เปนตน

7.6.8 การพฒนาวสดแผนกรองทมรพรนในระดบนาโนเมตร ส าหรบอตสาหกรรมการผลตน าดมบรสทธ หรอการบ าบดน าเสยจากโรงงาน

อตสาหกรรม กระบวนการกรองดวยเยอแผน สามารถแบงได 3 วธ คอ ออสโมซสยอนกลบ (Reverse osmosis) อลตราฟวเตรชน (Ultrafiltration) และนาโนฟวเตรชน (Nanofiltration) แตวธอลตราฟวเตรชนไมเปนทนยมเนองจากมขนาดรเปดของเยอกรองใหญ ไมสามารถกรองอนภาคของสออกจากน าเสยได สวนวธออสโมซสยอนกลบเหมาะส าหรบการก าจดสทมโมเลกลขนาดใหญ ไดแก สแท เปนการกรองแยกน าออกจากของแขงแขวนลอย หรอของแขงทละลายน า โดยผานรพรนขนาดเลกและใชความดนเปนแรงขบเคลอนใหน าไหลผานตวกรองเปนกระบวนการทตองผานเยอแผน 2 ขนตอน คอ เยอแผนออสโมซสยอนกลบทบรรจน ากรอย และเยอแผนออสโมซสยอนกลบทบรรจน าทะเล ซงเยอแผนแรกสามารถก าจดสปรากฏซงมาจากโรงฟอกยอมไดถงรอยละ 90 ความเขมขนของสทเหลอจะถกสงผานไปยงเยอแผนทสอง และสามารถก าจดสไดถงรอยละ 94 ส าหรบกระบวนการก าจดสโดยใชแผนกรองนาโนใชหลกการเดยวกบการออสโมซสผนกลบ แตการกรองผานแผนนาโนมประสทธภาพมากกวาเนองจากมรขนาดทเลกกวา ท าใหแยกสออกจากน าไดดกวาโดยสามารถแยกสารทมน าหนกโมเลกลต าออกจากสารทมน าหนกโมเลกลสง เชน สารอนนทรย เชอจลนทรย กรดอนทรย


ตางๆ ซงขนาดของแผนกรองสวนใหญเปนแบบเชงประกอบทมรพรนประมาณ 1.5-2.5 นาโนเมตร และมชวงความดนทใชประมาณ 10-34 บาร เยอแผนนาโนสามารถก าจดสยอมทความดน 10 บาร อณหภม 45 และ 60 องศาเซลเซยส มากกวารอยละ 97 และจะลดลงเมอสารละลายมความเขมขนเพมขน ซงปจจยทมผลตอสมรรถนะการกรองผานดวยแผนนาโน ไดแก อตราการไหลและลกษณะการไหล ความดน ความเปนกรดดาง และอณหภม เปนตน

7.6.9 การพฒนาวธการในการท าใหอาหาร และบรรจภณฑปลอดเชอกอนบรรจ (Sterilization)

เพอประสทธภาพ และรวดเรวมากขน รวมทงใชพลงงานและคาใชจายนอยลง และเปนมตรตอสงแวดลอม เชน การพฒนาการฆาเชอแบบใชพลาสมาทอณหภมต า (Low-temperature plasma treatment) เปนตน

7.6.10 การคนหาวสดทมสมบตประกอบตวเองได (Self-assembling materials) การพฒนาเทคนคในการเคลอบผววสดเพอใชในการสรางบรรจภณฑทสามารถ

ปกปองผลผลตทางการเกษตร และผลตภณฑอาหาร จากการปนเปอนดวยเชอโรค หรอการพฒนาฟลมพลาสตกชนดวสดผสมนาโน (Nanocomposite) ทสามารถควบคมอตราการผานของแกสออกซเจน และไอน า เพอรกษาความสดของผก ผลไม และเนอสตว ตลอดจนการพฒนาบรรจภณฑทมตวตรวจจบอจฉรยะ (Smart detectors) ทสามารถตรวจจบจลนทรยทท าใหอาหารเนาเสยได ท าใหสามารถยดระยะเวลาในการเกบสนคาทางการเกษตร และอาหารไวไดนานขน 7.7 นาโนเทคโนโลยทางดานอาหาร (Food nanotechnology)

จมกอเลกทรอนกส เปนอปกรณทเลยนแบบการท างานของจมกจรงๆ ของมนษย เมอหายใจเอาอากาศเขาไป อากาศจะพาไอของโมเลกลซงอาจมกลนเขาไปในโพรงจมก ไอของโมเลกลนนจะสมผสกบตอมรบกลนซงอยบนเซลลประสาทรบกลน โดยปลายขางหนงของเซลลจะรวมกนอยทตอมรวมประสาท (Glomeruli) ซงท าหนาทขยายสญญาณ (Amplifier) แลวน าสญญาณสงไปสสมองสวนทเรยกวา Olfactory cortex การรบรกลนเกดจากการท างานในระดบนาโน กลาวคอ โมเลกลของกลนจะเกดอนตรกรยาหรอจบตวเขากบโมเลกลของตวรบกลน (Receptor) ซงมอยหลากหลายชนด ยกตวอยางเชน ถาหายใจเอากลนดอกกหลาบเขาไป


ไอระเหยของดอกกหลาบมโมเลกลอนทรยนบสบชนด โมเลกลอนทรยจากดอกกหลาบสามารถเขาจบตวกบโมเลกลรบกลนในจมก เกดรปแบบขน สมองจะจดจ าวาเปนกลนดอกกหลาบ แตถาเปนดอกกหลาบตางชนดกนกอาจมชนดของโมเลกลอนทรยตางกน ท าใหสมองจ ารปแบบไดวาเปนชนดไหน

ระบบการรบรกลนมความซบซอน บคคลทไดรบการฝกในการรบกลน เชน นกดมกลนน าหอม อาจมความสามารถจดจ ากลนไดถง 10,000 ชนด ส าหรบบคคลทวไปจะจดจ ากลนไดจ านวนในหลกรอย หรอหลกพน จมกมนษยมขอจ ากดทไมสามารถดมกลนทมน าหนกโมเลกลสง รวมทงแกสพษหลายๆ ชนด เชน แกสคารบอนมอนนอกไซด รวมทงไมสามารถระบกลนในเชงปรมาณได รเฉพาะความแรงหรอออนของกลนเทานน ดงนนจงมการสรางจมกอเลกทรอนกส (Electronic nose) เพอเลยนแบบจมกมนษยขน

ระบบรบรกลนตามธรรมชาตประกอบดวย - สวนรบกลน (ตวรบกลน และระบบน ากลน) - ระบบน าสญญาณประสาท (ระบบสง และขยายสญญาณ) - ระบบประมวลผล (แยกแยะ และจดจ ากลน) ดงนนจมกอเลกทรอนกสจงมลกษณะทเลยนแบบระบบรบรกลนในธรรมชาต ดงนคอ - สวนรบกลน ประกอบไปดวยตวน ากลนซงอาจมมอเตอรดดอากาศ มทอรวบรวม

กลน (Concentrator) เพอใหกลนมความเขมขนสงขน และทส าคญทสดก คอ เซนเซอรรบกลนจ านวนมาก 4 ถง 1,000 ตว

- สวนรวบรวมสญญาณ ท าการแปรสญญาณจากตวตรวจจบ และท าการจดการสญญาณ (Signal conditioning) เชน ลดสญญาณรบกวน จากน นกจะแปลงสญญาณจากอนาลอกใหเปนดจตอล (A/D converter)

- สวนประมวลผล น าสญญาณทไดรบเปรยบเทยบเชงสถตกบฐานขอมลทมอยเดม ซงใชวธระบบประสาทเทยม (Artificial neural networks) เพอท าการแยกแยะกลน รวมไปถงการเรยนร และจดจ ารปแบบของกลน


การประยกตใชงานจมกอเลกทรอนกสทางดานอาหาร ยกตวอยางเชน - การวดความสกของผลไม น าจมกอเลกทรอนกสรบกลนจากผลไม แลวใหคาความ

สกของผลไมตามระดบตวเลขทไดก าหนดไว - การควบคมคณภาพของไวน และเครองดม จมกอเลกทรอนกสสามารถจ าแนกยหอ

ของไวนได และสามารถจ าแนกไวนยหอเดยวกนแตผลตในปทตางกนได ดงน นจมกอเลกทรอนกสจงสามารถจ าแนกไวนแทหรอปลอมไดอยางรวดเรว

- การตรวจวดความสดของปลา กง เนอสตว จมกอเลกทรอนกสสามารถจ าแนกระดบความสดของเนอสตวได ท าใหผผลตอาหารแชแขงเพอสงออก รวมทงสามารถประเมนระดบความสดของผลตภณฑได

- การประเมนคณภาพของชา และกาแฟ จมกอเลกทรอนกสสามารถระบความหอม ของชา และกาแฟได


บรรณานกรม 1. ณฐพนธ ศภกา. 2011. กาวสยคนาโนอเลกทรอนกส. Bio & Nano. 38: 32-37. 2. ณฐพนธ ศภกา. 2010. Nanobiotechnology ในอตสาหกรรมอาหารและการเกษตร. Bio &

Nano. 37: 32-34. 3. ยอดหทย เทพธรานนท และประมวล ตงบรบรณรตน. 2545. นาโนเทคโนโลย:เทคโนโลย

ซเปอรจว. พมพลกษณ, กรงเทพฯ: มลนธบณฑตยสภาวทยาศาสตรและเทคโนโลยแหงประเทศไทย. 620 น.

4. วรวฒ เจรญศร. 2552. นาโนเทคโนโลยทางการแพทย . [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://52011211096.blogspot.com/2012/05/blog-post.html (15 มนาคม 2555)

5. ศรศกด เทพาค า. นาโนเทคโนโลย คลนลกใหมแหงวงการวทยาศาสตร. นกวชาการศนยพน ธวศวกรรมและเทคโนโลยช วภาพแหงชาต . [ระบบออนไลน ]. แหลงทมา http://school.obec.go.th/ thungmapraw_liberry/word/nano.html (15 มนาคม 2555)

6. ศภกร ภ เกด , อดม ทพราช , ทพวรรณ สายพณ , 2549. วสดนาโน (Nanomaterials). วารสารวชาการ มหาวทยาลยอบลราชธาน 8: 27-40.

7. อรชา รงสาดทอง. 2552. นาโนเทคโนโลยกบการรกษาโรคมะเรง. ศนยนาโนเทคโนโลยแหงชาต. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.vcharkarn.com/varticle/38387 (15 มนาคม 2555)

8. Textileinfo. Nanotechnology product. [Online]. Available http://textileinfo.com/en/ tech/three/05.html (15 March 2012)

http://52011211096.blogspot.com/2012/05/blog-post.html

http://www.vcharkarn.com/varticle/38387

http://textileinfo.com/



7.1 แนวคดการสรางหนยนตนาโน ถกเสนอขนเพอน ามาใชประโยชนอยางไร 7.2 หากแนวคดเกยวกบการสรางจกรกลโมเลกลสามารถท าไดในเวลาอกไมนาน

แนวโนมของการพฒนาจะเปนไปในทศทางใด และเกยวของกบสงใดบาง 7.3 คอมพวเตอรนาโนในอนาคตมการน าเสนอโดยแบงไดเปนกแบบ อะไรบาง และ

น ามาใชอยางไร 7.4 จงบอกขอจ ากดของทรานซสเตอรชนดซ ลกอนทน าไปสการพฒนานาโน

คอมพวเตอร 7.5 คอมพวเตอรในยคปจจบนกบนาโนคอมพวเตอรแตกตางกนอยางไร 7.6 การพฒนานาโนคอมพวเตอรเชงอเลกทรอนกส แบงเปนกแนวทาง คออะไรบาง

อธบาย 7.7 ระบบ Microelectromechanical systems, MEMs คออะไร ยกตวอยางประกอบ 7.8 จงยกตวอยางนาโนเทคโนโลยกบการเกษตร พรอมทงอธบาย 7.9 Electronic Nose คออะไร อธบายหลกการท างาน พรอมท งระบวาสามารถน าไป

ประยกตใชงานอะไรไดบาง


บทท 8 การประยกตใชนาโนเทคโนโลย:

8.1 ประยกตใชทางดานสงแวดลอม 8.1.1 การบ าบดสงปนเปอนทเปนสารอนทรยในน าโดยการยอยสลายดวยแสง

(Photocatalytic activity) 8.1.2 วสดทสามารถท าความสะอาดหรอก าจดสงสกปรกไดดวยตวเอง

(Self cleaning) 8.1.2.1 พนผวท าความสะอาดตวเอง 8.1.2.2 เสอนาโน

8.2 ประยกตใชทางดานอเลกทรอนกส 8.2.1 การผลตกระแสไฟฟาดวยแสง (Solar cells)

8.2.1.1 พารามเตอรทบอกสมบตทางไฟฟาของเซลลแสงอาทตย 8.2.1.2 ตวอยางเซลลแสงอาทตยชนดอนทรย

8.2.2 การตรวจวดแกส (Gas sensor) ของอนภาคนาโนของสารประกอบออกไซด 8.3 ประยกตใชทางดานสงทอ 8.4 ประยกตใชทางดานการแพทย

184 บทท 8 : การประยกตใชนาโนเทคโนโลย

8.1 ประยกตใชทางดานสงแวดลอม 8.1.1 การบ าบดสงปนเปอนท เปนสารอนทรยในน าโดยการยอยสลายดวยแสง

(Photocatalytic activity) 8.1.1.1 ห ล ก ก าร ข อ งป ฏ ก ร ย า โฟ โต แ ค ต า ไ ล ซ ส (Fundamental of

photocatalysis reaction) กระบวนการโฟโตแคตาไลตก (Photocatalytic Process) เปนการเรงปฏกรยา

โดยใชตวกระตนหรอตวแคตาลสต ซงท าหนาทเปนตวเรงปฏกรยาภายหลงจากการถกกระตนดวยแสง ซงปฏกรยาโฟโตแคตาไลซส มองคประกอบทส าคญ ดงนคอ

- ตวแคตาลสต เชน สารกงตวน า (Semiconductor) จ าพวกซงกออกไซด (ZnO) ไทเทเนยมไดออกไซด (TiO2) เปนตน

- พลงงานแสง ทมตองมคาพลงงานมากกวาหรอเทากบคาพลงงานชองวาง (Band gap) ของตวแคตาลสต

- น า (H2O) - ออกซเจนหรอตวออกซแดนท (Oxidants) 8.1.1.2 พลงงานแสง การฉายแสงในกระบวนการโฟโตแคตาไลตก เปนการใหพลงงานกบระบบใน

รปของพลงงานโฟตอน (Photon energy) ทมคามากพอทจะท าใหเกดปฏกรยาขนได ซงพลงงานดงกลาวน เรยกวา พลงงานกระตน (Activation energy) สามารถค านวณไดจากสมการ 8.1 ดงน

hchE == …………… (8.1)

เมอ E คอ พลงงานโฟตอน (Photon energy) (J) h คอ คาคงทของพลงค (Planck’s contant) มคาเทากบ 6.625×10-34 J.s คอ ความถของแสง (Hz)

คอ ความยาวคลนแสง (nm) c คอ ความเรวของแสง มคาเทากบ 2.997×108 m/s

บทท 8 : การประยกตใชนาโนเทคโนโลย 185

พลงงานของแสงมคาเพมขนเมอความยาวคลนลดลง ดงแสดงไวในภาพ 5.14 ซงแสดงความสมพนธของพลงงานกบความยาวคลน โดยสเปกตรมของรงสอลตราไวโอเลต (Ultraviolet, UV) มความยาวคลนของแสง อยในชวง 100-400 นาโนเมตร ซงเปนชวงความยาวคลนแสงทไดรบความสนใจในการศกษาส าหรบกระบวนการโฟโตแคตาไลตก ส าหรบความยาวคลนแสงทสามารถมองเหนไดหรอแสงขาว (Visible) มความยาวคลนอยในชวง 380-750 นาโนเมตร

รงสอลตราไวโอเลต แบงออกไดเปน 3 ชวงคอ - รงสอลตราไวโอเลต ทมความยาวคลนยาว (Long Wave U, UV-A) มความ

ยาวคลนอยในชวง 400-320 นาโนเมตร - รงสอลตราไวโอเลต ทมความยาวคลนกลาง (Middle Wave UV, UV-B) ม

ความยาวคลนอยในชวง 320-280 นาโนเมตร - รงสอลตราไวโอเลต ทมความยาวคลนส น (Short Wave UV, UV-C) มความ

ยาวคลนอยในชวง 280-200 นาโนเมตร ในกระบวนการโฟโตแคตาไลตกจะใชตวแคตาลสต ทมคาพลงงานชองวาง

(Band gap) ท เหมาะสม เพ อใหป ฏ ก รยาโฟโตแคตาไลซส เกด ขนได ยกตวอยางเชน ซงกออกไซดเปนตวแคตาลสตทนยมน ามาใช เนองจากซงกออกไซดมพลงงานชองวางประมาณ 3.2 อเลกตรอนโวลต ดงนนการใหพลงงานกบระบบตองใหพลงงานมากกวาหรอเทากบพลงงานชองวางของซงกออกไซด ปฏกรยาโฟโตแคตาไลซสจงจะเกดขนได ซงชวงความยาวคลนของแสงอลตราไวโอเลตทมความยาวคลนต ากวา 400 นาโนเมตร จะใหคาพลงงานทมากกวาหรอเทากบพลงงานชองวางของซงกออกไซด (จากการพจารณาตามสมาการ 8.1) แตเนองจากแสงอาทตยทสงมายงพนผวโลกมชวงแสงทเปนแสงอลตราไวโอเลตในปรมาณนอยมาก คอเฉพาะชวงความยาวคลน 350-400 นาโนเมตร เทานน ดงนนจงมงานวจยทมงเนนการเพมประสทธภาพของซงกออกไซดใหสามารถท างานไดอยางมประสทธภาพทชวงแสงทสามารถมองเหนหรอชวงแสงขาว ซงวธหนงในการเพมประสทธภาพของซงกออกไซด คอ การเตมโลหะทรานซชนลงในสารกงตวน าซงกออกไซดในขนตอนของกระบวนการสงเคราะห รวมทงการลดขนาดใหมขนาดเลกในระดบนาโนเมตร เปนตน


8.1.1.3 ประเภทของปฏกรยาโฟโตแคตาไลซส ประเภทของปฏกรยาโฟโตแคตาไลซส แบงออกเปน 2 ประเภท เมอพจารณา

จากสถานะของตวแคตาลสต ดงนคอ - ปฏกรยาโฟโตแคตาไลซสแบบสถานะเดยว (Homogeneous photocatalysis)

เปนกระบวนการทใชตวแคตาลสซงมสถานะเดยวกบสารอนทรยทตองการก าจด โดยทวไปเปนของเหลว เชน การยอยสลาย 2,4 dinitroluene โดยใช UV/H2O2

- ปฏกรยาโฟโตแคตาไลซสแบบสถานะตาง (Heterogeneous photocatalysis) เปนกระบวนการทใชตวตวแคตาลสต ซงมสถานะตางกบสารอนทรยทตองการก าจด เชน การยอยสลาย 2–chlorophenol โดยใช UV/TiO2

ตวแคตาลสต จ าพวกสารกงตวน าทนยมใชในปฏกรยาโฟโตแคตาไลซสอกชนดหนง คอไทเทเนยมไดออกไซด เนองจากไทเทเนยมไดออกไซดมราคาไมแพง ไมเปนพษ มความสามารถในการละลายต า มความเสถยรสง นอกจากนจากการศกษาเปรยบเทยบสาร กงตวน าหลากหลายชนดทน ามาใชในปฏกรยาโฟโตแคตาไลซส พบวาการใชไทเทเนยม ไดออกไซดแบบแขวนลอยสามารถเกดปฏกรยาไดอยางรวดเรว แตเนองจากไทเทเนยม ไดออกไซดมคาพลงงานชองวางประมาณ 3.2 อเลกตรอนโวลต ซงเทากบพลงงานชองวางของซงกออกไซด ท าใหตองใชพลงงานแสงในชวงแสงอลตราไวโอเลต (ความยาวคลน 400 นาโนเมตร) ซงเปนชวงแสงทสงลงมาบนพนโลกนอยกวา 1 เปอรเซนต ท าใหไมสามารถใชแสงธรรมชาตได ดงน นในการทดลองจงตองใชแสงจากหลอดรงสอลตราไวโอเลต เปนแหลงก าเนดแสงแทน

8.1.1.4 ประเภทของตวแคตาลสต สารทใชเปนตวแคตาลสตในปฏกรยาโฟโตแคตาไลซส ยกตวอยาง เชน - กลมโลหะตวน า (Transition Metal) เชน ทองแดง (Cupper, Cu) โครเมยม

(Chromium, Cr) นเกล (Nickel, Ni) เปนตน - กลมสารกงตวน า (Semiconductor) เชน ไทเทเนยมไดออกไซด (Titanium

dioxide, TiO2) แคดเมยมซลไฟด (Cadmium sulfide, CdS) ซงกออกไซด (Zinc oxide, ZnO) เปนตน


แถบพลงงานของโลหะตวน าและสารกงตวน า ประกอบดวยแถบวาเลนส(Valence band) และแถบคอนดกชน (Conduction band) ในโลหะตวน าจะมแถบวาเลนสและแถบคอนดกชนซอนทบกน แตในสารกงตวน าแถบวาเลนสและแถบคอนดกชนจะไมตดกนโดยเกดเปนชองวางซงเรยกวาชองวางแถบพลงงาน (Band gap) เมออเลกตรอน (Electron, e-) ทอยในแถบวาเลนสไดรบพลงงานโฟตอนจากแสง (E) อเลกตรอนจะเคลอนทไปยงแถบคอนดกชน ในขณะเดยวกนทบรเวณแถบวาเลนสจะเกดชองวางหรอโฮล (Hole, h+) ซงเปนประจบวก ซงสามารถเคลอนทไดอยางอสระในแถบวาเลนส สวนแถบคอนดกชน อเลกตรอนทเคลอนทมาจากแถบวาเลนสเคลอนทอยางเปนอสระทวแถบคอนดกชน เชนกน ปรากฏการณนท าใหเกดคอเลกตรอน-โฮล (Electron-Hole pairs, e-/h+) สามารถเคลอนทไปมาระหวางแถบวาเลนสและแถบคอนดกชนไดงายและรวดเรว เพราะวาไมมชองวางแถบพลงงาน ดงนนจงท าให e-/h+รวมตวกนใหมไดงาย ในขณะทการรวมตวกนใหมของ e-/h+ ในสารกงตวน าเกดไดยาก เนองจากมชองวางแถบพลงงานคนอยท าใหค e-/h+แยกจากกนไดนาน แถบพลงงานของโลหะตวน า สารกงตวน า และฉนวน แสดงในภาพ 8.1

ภาพ 8.1 แถบพลงงานของโลหะ (Metal) สารกงตวน า (Semiconductor) และฉนวน (Insulator)

ในสภาวะปกต ณ อณหภมหอง สารกงตวน าจะมสมบตเปนตวน าไดบาง ท งนเนองจากมพลงงานชองวาง (Energy gab, Eg) เขาใกลพลงงานความรอน (Thermal energy) kBT

Conduction band

Valence band

Band gap

Semiconductor Insulator Metal

Overlap

Elec

tron e

nerg

y

Fermi level


และความรอนในตววสด จะกระตนอเลกตรอนจากแถบวาเลนสใหสามารถขนไปยงแถบคอนดกชน ทซงท าใหเกดการไหลของกระแสได แตปรมาณความหนาแนนของอเลกตรอนในชนคอนดกชนจากกระบวนการกระตนทางความรอน (Thermal excitation process) นยงนอยเมอเทยบกบวสดโลหะ ดงนนสภาพการน าไฟฟาของสารกงตวน าในสภาวะปกต ณ อณหภมหอง จงนอย ดงแสดงในภาพ 8.2

ภาพ 8.2 แผนภาพจ าลองของชองวางพลงงานแสดงระดบพลงงานตวให (Acceptor levels, EA) (เหนอดานบนของแถบวาเลนส) ระดบพลงงานตวรบ (Donor levels, ED (ดานลางของแถบคอนดกชน) และตรงกลางชองวางแสดงระดบพลงงานการกกอเลกตรอน (Trap levels) (Poole and Owens, 2003)

8.1.1.5 ก ล ไ ก ก า ร เก ด ป ฏ ก ร ย า โฟ โต แ ค ต า ไ ล ซ ส (Mechanism of photocatalysis reaction)

ปฏกรยาโฟโตแคตาไลซสของตวแคตาลสตทแขวนลอยอยในน า ประกอบดวยแสงทสองผานน าไปยงตวแคตาลสต ซงเปนแสงทมพลงงานโฟตอน (E) ทสงกวาพลงงานของแถบชองวางของตวแคตาลสต พลงงานโฟตอนจะกระตนอเลกตรอนจากแถบวาเลนสให

Conduction band

Valence band

ED

EA

KBT

Donor levels

Acceptor levels

Deep trap levels


เคลอนทไปยงแถบคอนดกชน ผลคอท าใหเกด e- และ h+ กระจายอยทผวของสารกงตวน า ดงแสดงในภาพ 8.3

ภาพ 8.3 กลไกการเกดปฏกรยาโฟโตแคตาไลซสบนสารกงตวน า (Kruefu et al., 2011) ปฏกรยาทเกดบนผวแถบคอนดกชน และปฏกรยาทเกดในสารละลายอธบายได

ดงน คอ จากภาพ 8.3 เมอตวแคตาลสตไดรบการกระตนดวยพลงงานแสงทมคาพลงงานมากกวาพลงงานชองวางของตวแคตาลสต จะท าใหอเลกตรอนในแถบวาเลนสกระโดดขนไปยงแถบคอนดกชน จากนนอเลกตรอนจะเคลอนจากแถบคอนดกชนไปยงตวรบอเลกตรอน (Electron acceptor) ในสารละลาย เกดปฏกรยารดกชน (Reduction) ขน สวนบรเวณแถบ วาเลนส ซงมโฮลจะเกดปฏกรยาออกซเดชน (Oxidation) โดยสารละลายท าหนาทเปนตวใหอเลกตรอน (Electron donor) ในสภาวะปกตความสามารถในการแลกเปลยนประจของอเลกตรอนทแถบคอนดกชนไมมศกยภาพพอทจะบ าบดสารอนทรยได แตเนองจากในระบบบ าบดมออกซเจน (O2) ละลายน าอย ออกซเจนนจะเปนตวรบอเลกตรอนจากแถบคอนดกชนเกดปฏกรยารดกชน ท าใหเกดซปเปอรออกไซดแรดดคอล (Superoxide redical, O2

-) ซงเปนตว

UV Irradiation < 390 nm

Adsorbed H2O

Hydrogen peroxides

Hydroxyl radical

Degradation Adsorbed pollutant

Adsorbed pollutant

OH-

Adsorbed pollutant (P) Proton (P+)

Adsorbed H2O, OH-

H2O2

O2-.

Adsorbed O2

Activation Recombination

Valence band

Conduction band e-

h+ h+ h+ h+ h+

e- e- e- e-


ออกซแดนททดมาก สามารถยอยสลายสารอนทรยตางๆ ได และในทางตรงกนขามโฮลทแถบวาเลนสเปนตวออกซแดนททดมากเชนกน

สมการการเกดปฏกรยาโฟโตแคตาไลซสในการยอยสลายสารอนทรยแสดงดงสมการ 8.2 และสมการ 8.3 ซงมกลไกการเกดปฏกรยาดงน คอ บรเวณผวของสารกงตวน าทมโฮล (h+)จะเกดปฏกรยาออกซเดชนกบไฮดรอกไซดไอออน (OH-) และน า เกดเปนไฮดรอกซลแรดดคอล (OH•) และแรดดคอล ตวอน ดงแสดงในสมการ 8.5 และสมการ 8.6 สวนทผวของสารกงตวน าทมอเลกตรอนจะเกดปฏกรยารดกชนกบออกซเจนทบนผวของสารกงตวน าเกดเปนซปเปอรออกไซดไอออนแรดดคอล (O2

•- ) เปอรไฮดรอกซลแรดดคอล (OH2•) ดงสมการ

8.7 และสมการ 8.8 และไฮโดรเจนเปอรออกไซด (H2O2) ดงแสดงในสมการ 8.9 และสมการ 8.10 ในขณะเกดปฏกรยามออกซเจนไมเพยงพอ โฟตอนซงเกดจากการแตกตวของน าจะเขามามบทบาทเขารบอเลกตรอนแทน เกดเปนไฮดรอกซลแรดดคอล (Hydrogen radical, H•) ตามสมการ 8.11 ไฮดรอกซลแรดดคอล เปนสารออกซแดนทหลกในปฏกรยาโฟโตแคตาไลซส เพราะไฮดรอกซลแรดดคอล เปนสารทไวตอการเกดปฏกรยา และท าปฏกรยากบสารประกอบอนทรยไดทกชนด การเกดแรดดคอลตางๆ แสดงไดตามสมาการดงน

การบ าบดสารอนทรย OH• + Organic Oxidized Organic …………… (8.2) H+ + Organic Oxidized Organic …………… (8.3) การกระตน Semiconductor + h e- + h+ …………… (8.4) การเกดเรดคอลจาก e-/h+ h+ + OH- OH• …………… (8.5) h+ + H2O OH• + H+ …………… (8.6) e- + O2 O2

•- …………… (8.7) H+ + O• OH2

• …………… (8.8) 2H2O + O2

•- 2H2O2 …………… (8.9) H2O2 2OH2

• …………… (8.10)


H+ + e- H• …………… (8.11) การรวมตวกนใหมของอเลกตรอนและโฮล (Electron-hole recombination) e- + h+ Heat …………… (8.12)

เมอ h+ คอ โฮลทวาเลนสแบนด (Valence band hole)

e- คอ อเลกตรอน (Electron) OH• คอ ไฮดรอกซลแรดดคอล (Hydroxyl radical) O2

•- คอ ซปเปอรออกไซดอออนแรดดคอล (Superoxide ion radical) OH2

• คอ เปอรไฮดรอกซลแรดดคอล (Perhydroxyl radical) H• คอ ไฮโดรเจนแรดดคอล (Hydrogen radical)

เนองจากไฮดรอกซลแรดดคอล และโฮล ทผวของตวแคตาลสตมประจบวก การ

ออกซไดซของโฮลกบไฮดรอกไซดไอออน ไดไฮดรอกซลแรดดคอล และขณะเดยวกนโฮลเกดจากการออกซไดซโดยตรงของสารอนทรยทอยบนตวแคตาลสตกบโฮลดวย ดงน นการเกดปฏกรยาออกซเดชนของโฟโตแคตาไลซส จงเกดขนไดทง 2 ทาง กลาวคอ

- การเกดปฏกรยาออกซเดชนของโฮลกบไฮดรอกไซดไอออนหรอน า ได ไฮดรอกซลแรดดคอล และปฏกรยาของอเลกตรอนกบออกซเจนหรอไฮโดรเจนไอออน ไดซปเปอรออกไซดไอออนแรดดคอล เปอรไฮดรอกซลแรดดคอล หรอไฮโดรเจนแรดดคอล

- การเกดปฏกรยาออกซเดชนโดยตรงของสารอนทรยทอยบนตวแคตาลสตกบโฮล ซงความสามารถของการเกดปฏกรยาออกซ เดชนของสารอนทรยมมากกวาความสามารถของการเกดปฏกรยาออกซเดชนบนตวแคตาลสต


ภาพ 8.4 การรวมตวกนใหมของอเลกตรอนและโฮล (Kruefu et al., 2011)

ปฏกรยาโฟโตแคตาไลซสจะเกดขนนอยลงเมอมการรวมตวกนใหมของอเลกตรอนและโฮล ดงแสดงในสมการ 8.12 เนองจากจะมความรอนเกดขน ดงนนส าหรบการยอยสลายสารอนทรยตางๆ โดยใชปฏกรยาโฟโตแคตาไลซสควรใหมการเกดขนของการรวมตวใหมของอเลกตรอนและโฮล นอยทสด เพอใหเกดปฏกรยารดกชน (Reduction) ทแถบคอนดกชนของอเลกตรอนมากทสด ปฏกรยาการยอยสลายกจะเกดไดเรวขน ซงสามารถท าไดวธหนง คอ การเจอโลหะบางชนด เชน ไนโอเบยม (Nb) ทอง (Au) หรอ แพลทนม (Pt) เปนตน ลงไปในโลหะของสารกงตวน า ซงเปนตวแคตาลสต โดยโลหะทเจอลงไปเหลาน เมอไปเกาะทผวของตวแคตาลสต ดงแสดงในภาพ 8.4 จะท าหนาทในการจบ (Trap) อเลกตรอนไว ไมใหเกดการรวมตวกบโฮล จงสามารถลดการเกดการรวมตวกนของอเลกตรอน และโฮลได

8.1.1.6 การศกษาปฏกรยาโฟโตแคตาไลซสซงกออกไซดในการก าจดสารอนทรยตางๆ

1. การสอบเทยบโฟโตแคตาไลตกรแอคเตอร ท าการสอบเทยบความสามารถของโฟโตแคตาไลตก รแอคเตอร ดวย ซงกออกไซดบรสทธทเตรยมดวยกระบวนการเฟลมสเปรไฟโรลซส โดยใชปรมาณของผง ซงกออกไซดบรสทธ 0.05 กรม ผสมกบน าปราศจากไอออนจนมปรมาตร 50 มลลลตร ใสใน

CB

VB

ZnO

< 390 nm

Eg 3.2 eV Nb

Energy


รแอคเตอร และท าการฉดเมทานอล ทมจ านวนคารบอน 100, 300, 500, 700 และ 1000 อะตอม ตามล าดบ และท าการบนทกคาการน าไฟฟาทเพมขนโดยใชโปรแกรม Cybercom 500 ไดผลดงแสดงในภาพ 8.5

ภาพ 8.5 กราฟความสมพนธระหวางคาการน าไฟฟา และเวลา เมอฉดเมทานอลทมจ านวนคารบอน 100, 300, 500, 700 และ 1,000 อะตอม ตามล าดบ ลงในโฟโตแคตาไลตกรแอคเตอร ทมซงกออกไซดบรสทธเปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง (วรนธชา, 2556)

จากภาพ 8.5 พบวาเมอท าการฉดเมทานอลทมจ านวนคารบอน 100, 300, 500, 700 และ 1,000 อะตอม ตามล าดบ ลงในโฟโตแคตาไลตกรแอคเตอร ทมซงกออกไซดบรสทธเปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง พบวาในชวงทฉดเมทานอลลงโฟโตแคตาไลตกรแอคเตอร คาการน าไฟฟาเพมขนอยางรวดเรวเปนสดสวนโดยตรงกบเวลา ซงคาการน าไฟฟาทเพมขนนเปนผลมาจากจ านวนคารบอนทเพมขนจากการสลายตวของเมทานอล และเมอการสลายตวเสรจสนคา

0 50 100 150 200 250 300 350 Time (min)

Cond

uctiv

ity (

S/cm2 )

4.5

3.5

2.5

1.5

0.5

C 100

C 300

C 500

C 700 C 1000


การน าไฟฟาจะคงทกบเวลา ดงแสดงในภาพชวงทกราฟมคาคงท ซงคาน าไฟฟาจะเพมขนมากหรอนอยขนอยกบจ านวนคารบอนทเกดขน จากกราฟความสมพน ธระหวางค าการน าไฟ ฟ ากบ เวลา สามารถหาความสมพนธระหวางจ านวนคารบอนทเกดขน (C) กบคาการน าไฟฟาทเพมขน (K) ซงจ านวนคารบอนทเกดขนจะสมพนธกบความเขมขนของเมทานอลทถกยอยสลาย ซงจากการศกษาทผานมาทราบวา ln(C) และ ln(K) มความสมพนธกนแบบเปนเชงเสน จงน าคาการน าไฟฟาทเพมขน และจ านวนคารบอนทเพมขน ค านวณหาคา ln(C) และ ln(K) เพอใชค านวณหาสมาการความสมพนธซงกนและกนตอไป ไดผลดงแสดงในตาราง 8.1 ตาราง 8.1 คาการน าไฟฟา และจ านวนคารบอนทอยโฟโตแคตาไลตกรแอคเตอรในชวงเวลาตางๆ และคา ln(C) และ ln(K) ทค านวณได (วรนธชา, 2556) จ านวน คารบอน

(g)

ln (C) คาการน าไฟฟา (k, S/cm)

(Initial value, k = 0.62)

k ln (k) ln (k)

100 4.61 1.4990 0.8790 0.40 -1.03 300 5.70 2.2700 1.6500 0.82 0.50 500 6.21 2.8340 2.2140 1.04 0.79 700 6.55 3.3200 2.7000 1.20 0.99

1000 6.91 3.8080 3.1880 1.34 1.16 เมอค านวณคาตางๆ ในตาราง 8.1 เรยบรอยแลว ท าการหาสมาการความสมพนธระหวางคา ln(C) และ ln(K) โดยน าคา ln(C) และ ln(K) ในตาราง 8.1 มาเขยนกราฟ โดย ln(C) เปนคาในแกน x และ ln(K) เปนคาในแกน y ดงแสดงในภาพ 8.6


ภาพ 8.6 กราฟความสมพนธระหวาง ln(C) และ ln(K) เมอ C คอ จ านวนคารบอนอะตอมในรแอคเตอร และ K คอ คาการน าไฟฟา (วรนธชา, 2556)

จากภาพ 8.6 พบวาคาของ ln(C) และ ln(K) มความสมพนธเชงเสนกนจรง โดยมคา R-squared เทากบ 0.999 ซงมคาใกลเคยง 1 มาก แสดงใหเหนวาสมาการเสนตรงทค านวณไดมความนาเชอถอสง ซงสมาการทค านวณไดมคา y = 0.565x-2.727 หรอเขยนไดเปน ln(K) = 0.565ln(C)-2.727 ซงสมการนจะน าไปใชในการเปลยนคาการน าไฟฟาทวดไดโดยเครองโฟโตแคตาลตกรแอคเตอรทใชในการทดลอง ส าหรบเทยบเปนปรมาณของสารอนทรยทถกยอยสลายในการทดลองตอไป

2. การทดสอบความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงส าหรบการยอยสลายเมทานอล เอทานอล และ ฟนอล การทดสอบ และเปรยบเทยบความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงของ ซงกออกไซดบรสทธ และซงกออกไซดทเจอดวยทอง 0.50 เปอรเซนตโดยโมล ทสงเคราะหได

0 1 2 3 4 5 6 7 8

1.40

1.00

-0.20

0.20

0.60

ln C

ln

k

Calibration

y = 0.565x-2.727 R2 = 0.999


โดยกระบวนการเฟลมสเปรยไพโรลซส โดยการยอยสลายเมทานอล เอทานอล และฟนอล ในเครองโฟโตแคตาไลตกรแอคเตอร ดงแสดงผลในภาพ 8.7

ภาพ 8.7 ปรมาณเมทานอล เอทานอล และฟนอล ทถกยอยสลายในชวงเวลาตางๆ เมอใช ซงกออกไซดทเจอดวยทอง 0.50 เปอรเซนตโดยโมล เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง (วรนธชา, 2556) จากภาพ 8.7 กราฟแสดงปรมาณสารอนทรย (เมทานอล เอทานอล และ ฟนอล) ทยอยสลายเทยบกบเวลา ทกกราฟมลกษณะคลายกน คอ คลายตวเอส (S) โดยการยอยสลายสารอนทรยอาจแบงออกเปน 4 ชวง ไดแก ชวงท 1 คอชวงส นๆ หลงจากฉดสารใส รแอคเตอร การยอยสลายจะเพมขนอยางชาๆ ชวงท 2 การยอยสลายสารอนทรยเพมขนอยางรวดเรว ความชนในกราฟเพมขนอยางเหนไดชด ชวงท 3 การยอยสลายสารอนทรยจะเพมขนอยางชาๆ อกครง ความชนในกราฟนอยกวางชวงท 2 และชวงท 4 เปนชวงในการยอยสลายสารอนทรยเสรจสนแลว ไมมการยอยสลายเพมขนกราฟทไดมลกษณะเปนเสนตรง

0.5 mol% Au/ZnO

Phenol

Ethanol

Methanol

0 1000 2000 3000 4000

600

500

400

300

200

100

Degr

adati

on (%

)

Irradiation time (min)


ส าหรบความสามารถในการเรงปฏกรยาดวยแสงวดจากเวลาในการยอยสลายสารอนทรยภายหลงจากทฉดสารอนทรยลงในเครองโฟโตแคตาไลตกรแอคเตอรจนเสรจสนกระบวนการ กลาวคอสารอนทรยถกยอยสลายเปน 100 เปอรเซนต ตาราง 8.2 เวลาทใชในการยอยสลาย (Completed degradation time) เมทานอล เอทานอล และฟนอล เมอใชเปนตวเรงปฏกรยาดวยแสงตางๆ (วรนธชา, 2556)

ชนดของตวเรงปฏกรยา

เวลาในการยอยสลายจนหมด (นาท)

ฟนอล (Phenol)

เอทานอล(Ethanol)

เมทานอล (Methanol)

ไมม 113.3 145.9 127.2

ซงกออกไซดบรสทธ 67.5 94.3 81.6

ซงกออกไซดทเจอดวยทอง (0.5 เปอรเซนตโดยโมล) 15.3 33.3 32.2

จากตาราง 8.2 พบวาเมทานอล เอทานอล และฟนอล สามารถยอยสลายไดเอง

เมอไดรบแสงอลตราไวโอเลตภายในเครองโฟโตแคตาไลตกรแอคเตอร แตใชเวลานานมากจงจะยอยสลายหมด คอ ใชเวลาประมาณ 127.2, 145.9 และ 113.3 นาท ตามล าดบ และเมอใช ซงกออกไซดบรสทธเปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง สามารถเรงการยอยลายเมทานอล เอทานอล และฟนอลได โดยใชเวลา 81.6, 94.3 และ 67.5 นาท ตามล าดบ และเมอใชซงกออกไซดทเจอดวยทอง 0.50 เปอรเซนตโดยโมล เปนตวเรงปฏกรยาดวยแสง พบวาสามารถเรงปฏกรยาการยอยสลายเมทานอล เอทานอล และฟนอล ไดดกวาซงกออกไซดบรสทธ โดยการยอยสลาย เมทานอล เอทานอล และฟนอล ใชเวลา 32.2, 33.3 และ 15.3 นาท ตามล าดบ ซงพบวาการเจอทองลงไปในปรมาณทเหมาะสมสามารถเพมประสทธภาพในการเรงปฏกรยาดวยแสงทมตออนภาคนาโนซงกออกไซดได


นอกจากนยงพบวาซงกออกไซดทเจอดวยทอง 0.5 เปอรเซนตโดยโมล สามารถยอยสลาย ฟนอล ไดเรวทสด เมอเปรยบเทยบกบการยอยสลาย เมทานอล และเอทานอล

8.1.2 วสดทสามารถท าความสะอาดหรอก าจดสงสกปรกไดดวยตวเอง (Self cleaning) 8.1.2.1 พนผวท าความสะอาดตวเอง

- ผลตภณฑทเปนกระจกท าความสะอาดตวเองโดยใชสมบตความชอบน ายงยวด และกระบวนการโฟโตแคตาไลตก (Photocatalytic) กระจกท าความสะอาดตวเองได เนองจากทผวกระจกจะเคลอบผว

แบบพเศษดวยอนภาคขนาดนาโนของสารบางชนด เชน อนภาคขนาดนาโนของไทเทเนยม ไดออกไซด (Titanium dioxide nanoparticles, TiO2) ทมความหนาของชนเคลอบประมาณ 40 นาโนเมตร โดยใชเทคนคการเคลอบแบบการตกสะสมไอสารดวยวธการทางเคม (Chemical vapor deposition, CVD) ทอณหภม ประมาณ 600 องศาเซลเซยส กระจกทไดสามารถท าความสะอาดตวเองไดโดยมความคงทนสง มชวงอายการใชงานยาวนาน รวมทงผวกระจกเปนแบบชอบน ายงยวด (Hydrophilic) ดงแสดงในภาพ 8.8 เมอผวกระจกไดรบแสงแดด จะเกดการแตกสลายของสารอนทรยทเปนสงสกปรกทตดคางอยทผว เชน มลนก จากนนเมอฝนตกน ากจะเกดการแผกระจายไปทวผวกระจกสงสกปรกกจะถกชะลางออกไป นอกจากนน าทผวกระจกจะระเหยแหงอยางรวดเรวซงชวยลดการเกดจดรอยคราบน าบนผวกระจก

ภาพ 8.8 ความชอบน าบนพนผวลกศรจากซายไปขวาแสดงถงความชอบน า (Hydrophilic) ทเพมขนของพนผว (Pilkington, 2554)

พนผว 1 พนผว 2


หลกการท างานของอนภาคขนาดนาโนของไทเทเนยม (TiO2) ทเคลอบบนผวกระจก ซงเปนอนภาคนาโนทมสมบตโฟโตแคตาไลซสและความชอบน ายงยวด มดงนคอ เมอช นของอนภาคขนาดนาโนของไททาเนยมไดออกไซดทเคลอบผวกระจก ดงแสดงในภาพ 8.9 ไดรบการกระตนโดยแสงอลตราไวโอเลตจากดวงอาทตย และเมอสมผสกบบรรยากาศทเปนออกซเจนจะเกดการออกซไดซ ท าใหสามารถท าลายแบคทเรย และสลายสารอนทรยหรอสารอนนทรยทเปนสงสกปรกบางประเภทได สมบตความชอบน ายงยวดของอนภาคขนาดนาโนของไทเทเนยมไดออกไซดทเคลอบผว เมอมหยดน ามาเกาะบนผวจะเกดการแผกระจายเปนชนฟลมบางอยางสม าเสมอ สงสกปรกเลกๆ จงถกชะลางออกไปไดโดยงาย และไมท าใหเกดรอยคราบหยดน าเปนจดหรอฝาทกระจกเมอแหงตว

ภาพ 8.9 กระจกท าความสะอาดตวเอง (Pilkington, 2554)

- พนผวท าความสะอาดตวเองแบบใชหลกการความไมชอบน ายงยวด (Hydrophobic) ผลตภณฑทสามารถท าความสะอาดตวเองไดโดยใชหลกการความไม

ชอบน ายงยวด ยกตวอยางเชน แกวบอโรซลเกตทเคลอบผวดวยฟลมบางของอนภาคขนาด นาโนของซงกออกไซด ดวยวธการเคลอบแบบการตกสะสมไอสารดวยวธการทางเคม ฟลมบางทไดจะมสมบตความไมชอบน ายงยวด กลาวคอ เมอมของเหลวมาเกาะทผวจะท าใหเกดมม

Dirt Coating

Glasses UV light

Rain


สมผสระหวางของเหลวกบอากาศทมากกวา 165 องศา ดงแสดงในภาพ 8.9 ท าใหเมอมสงสกปรกตดอย จะถกชะลางไดโดยงาย โดยสงสกปรกจะเกาะตดออกมากบหยดน า

8.1.2.2 เสอนาโน (Nano shirt) เปนผลตภณฑทสามารถท าความสะอาดหรอก าจดสงสกปรกไดดวยตวเอง

เนองจากถกเคลอบดวยสารละลายทมไทเทเนยมไดออกไซดขนาดนาโนเปนสวนประกอบ ดงแสดงในภาพ 8.10 โดยในขนตอนของการเคลอบ เรมจากการแชผลตภณฑในสารละลายไทเทเนยมไดออกไซด จากนนน าไปผานกระบานการอดรด เพอรดเอาสารละลายสวนเกนออก และท าใหแหง ในขนตอนสดทายจะน าไปผานกระบวนการไฮโดรเทอรมอล (Hydrothermal) และตมผาเปนเวลา 2 ชวโมง กจะไดผลตภณฑทมไทเทเนยมไดออกไซดขนาดนาโนเคลอบอยบนเสนใย โดยมความหนาประมาณ 50 นาโนเมตร อนภาคนาโนไทเทเนยมไดออกไซดสามารถเกาะตดไดดบนเสนใยฝายรวมถงเสนใยสงเคราะห และวสดอนๆ เชน พลาสตก และไม สารเคลอบนมสมบตในการยอยสลายสารอนทรย กลน แบคทเรย และสารพษ เชน ฟอรมาลดไฮด (Formaldehyde) โดยเมอสารเคลอบไดรบพลงงานแสงอลตราไวโอเลตจาก ดวงอาทตย หรอจากหลอดไฟ กจะเกดปฏกรยาการยอยสลายสารเหลานใหกลายเปนแกสคารบอนไดออกไซด (CO2) และน า (H2O)

ภาพ 8.10 การท าความสะอาดตวเองไดเมอสมผสกบน า (วรยา, 2554)

Self cleaning

ผวเรยบ ผวขรขระ


จากเทคโนโลยดงกลาวน สามารถน าไปประยกตใชกบผลตผลตภณฑหลากหลายชนดทท าความสะอาดไดยาก เชน เฟอรนเจอร ผามาน พรม รวมไปถงชดส าหรบทหาร นกเดนทางทไมมเวลาหรอไมมน าเพยงพอส าหรบการซกผา เพราะเมอเสอผามคราบสกปรก เมอไดรบแสงอลตราไวโอเลตจากดวงอาทตย ประมาณ 3 วน กลนและแบคทเรยกจะจางหายไป นอกจากนยงเปนกระบวนการทงายโดยไมจ าเปนตองอาศยเครองมอพเศษเพมเตม ทงยงชวยรกษาสงแวดลอมโดยชวยลดการใชพลงงาน และสารเคมในการซกผาใหนอยลง เทคโนโลยนจงไดรบความสนใจส าหรบท าการผลตในเชงพาณชย

อนภาคขนาดนาโนของซงกออกไซด (ZnO nano) เปนสารอกชนดหนงทนยมน ามาใชเพอเพมสมบตในการฆาเชอรา หรอแบคทเรยบนเสอผา กลาวคอ เมอแบคทเรยหรอเชอราเขาไปเกาะบนเสอผาทมซงกออกไซดขนาดนาโนเคลอบอย อนภาคขนาดนาโนของ ซงกออกไซดจะซมผานผนงเซลลของแบคทเรยเขาไปท าปฏกรยากบสารบางอยางของเยอเซลลแบคทเรย และขดขวางการแบงตวของดเอนเอของแบคทเรยท าใหแบคทเรยตายลง

8.2 ประยกตใชทางดานอเลกทรอนกส

8.2.1 เซลลแสงอาทตย (Solar cells) พลงงานจากแสงอาทตยเปนพลงงานทดแทนทเปนทางเลอกหนงทปจจบนไดม

การศกษาวจยกนอยางแพรหลาย เซลลแสงอาทตย (Solar cells) หรอเซลลโฟโตโวลตาอก (Photovoltaic cells) เปน อปกรณสารกงตวน า (Semiconductor) ทท าหนาท ในการแปลงพลงงานแสงหรอพลงงานโฟตอนจากแสงในธรรมชาตเปนพลงงานไฟฟา

หลกการท างานทวไปของเซลลแสงอาทตย เกดจากการสรางพาหะน าไฟฟา ซงกคอ ประจลบ (อเลกตรอน) และประจบวก (โฮล) ขน จากการกระตนดวยพลงงานแสงบนวสดกงตวน าทใชผลตเปนเซลลแสงอาทตย เมอมการเคลอนทของประจพาหะกจะเกดการไหลของกระแสไฟฟาทสามารถจดเกบ และน ามาใชงานได

เซลลแสงอาทตยไดรบการพฒนาอยางตอเนอง จากในยคแรกทเปนเซลลแสงอาทตยชนดซลกอน (Silicon) ซงแบงเปนชนดซลกอนผลกเดยว (Single crystalline silicon solar cell) ชนดอะมอรฟสซลกอน (Amorphous silicon solar cell) และชนดซลกอนหลายผลก


(Polycrystalline silicon solar cell) เซ ลล แส งอาท ตย ท ใช ง านอยางแพ รหล าย และใหประสทธภาพสง เปนชนดซลกอนผลกเดยว ทใหคาประสทธภาพในการแปลงพลงงานแสงเปนพลงงานไฟฟาไดสงถง 15-30 เปอรเซนต แตเนองจากขอจ ากดอยางหนงของเซลลแสงอาทตยชนดซลกอน คอ การผลตซลกอนแบบผลกเดยวท าไดคอนขางยาก และมตนทนการผลตสง ดงนนจงไดมความพยายามทจะใชสารสทไดจากวสดธรรมชาตเคลอบลงบนผวของโลหะออกไซด เรยกวา เซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง (Dye-Sensitized solar cell, DSSC) เพอมาใชแทนซลกอนผลกเดยว ซงถอเปนเซลลแสงอาทตยในยคทสอง

เซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง เปนเซลลแสงอาทตยทผลตจากสารกงตวน าจ าพวกโลหะออกไซด ทมแถบชองวางพลงงานกวาง เคลอบผวสารกงตวน าโลหะออกไซดนดวยโมเลกลสยอมไวแสง (Dye sensitized) ซงท าหนาทดดกลนพลงงานแสงอาทตยแลวสงผานอเลกตรอนไปยงสารกงตวน า ขอดของเซลลแสงอาทตยชนดนคอ สารกงตวน าทใชเปนสารประกอบโลหะออกไซด มเสถยรภาพสง ซงในปจจบนไดรบการพฒนาจนมประสทธภาพในการแปลงพลงงานแสงเปนพลงงานไฟฟาไดสงถง 11 เปอรเซนต และยงมตนทนการผลตทต ากวาเซลลแสงอาทตยชนดซลกอน แตอยางไรกตามระยะเวลาในการใชงานจรงยงสนกวา

เซลลแสงอาทตยในยคทสาม เปนเซลลแสงอาทตยชนดสารอนทรย (Organic photovoltaic cell, OPV) หรอเซลลแสงอาทตยชนดพอลเมอร (Polymer solar cell) เปนเซลลแสงอาทตยทใชพอลเมอรน าไฟฟา ซงมสมบตเปนวสดกงตวน ามาใชเปนสวนประกอบในการดดกลนแสง และสงผานประจ เซลลแสงอาทตยชนดสารอนทรยไดรบการพฒนาตอเนอง โดยทเซลลแสงอาทตยอนทรยนมขอแตกตางทงในเรองของตนทนการผลตทมราคาต ากวา และสามารถทจะสรางเซลลแสงอาทตยออกมาไดหลายรปแบบ เนองจากเซลลแสงอาทตยอนทรยมความยดหยนไดตามรปแบบของฐานรองรบ ดงนนในปจจบนนเซลลแสงอาทตยชนดอนทรยจงเปนทสนใจ และไดรบการวจยและพฒนากนอยางแพรหลายในระดบนานาชาต

8.2.1.1 พารามเตอรทบอกสมบตทางไฟฟาของเซลลแสงอาทตย เซลลแสงอาทตยทถกกระตนดวยแสงสามารถบอกลกษณะเฉพาะไดโดย

พารามเตอรตางๆ ดงน กระแสลดวงจร(Short-circuit current, ISC) กระแสเปดวงจร (Open- circuit voltage, VOC) Fill factor (FF) และ ประสทธภาพในการผลตกระแสไฟฟาจากแสง


(Power conversion efficiency, ) ซงคาพารามเตอรตางๆ เหลานสามารถบอกไดจากกราฟความสมพนธระหวางกระแส และความตางศกยของเซลลแสงอาทตยทถกกระตนดวยแสง ดงแสดงดงภาพ 8.11

ภาพ 8.11 กราฟความสมพนธระหวางกระแส และความตางศกยของเซลลแสงอาทตยทถกกระตนดวยแสงพรอมดวยคาพารามเตอรตางๆ (Kruefu et al., 2010)

- กระแสลดวงจร (Short-circuit current) กระแสลดวงจร (ISC) คอ คากระแสทไดขณะทใหความตางศกยเปน

ศนยแกเซลลแสงอาทตยทถกกระตนดวยแสง (V=0 โวลต) โดยคานไดจากบรเวณททบซอนกนของคาการดดกลนสเปกตรมของเซลลแสงอาทตยกบสเปกตรมของแสงทใหเขามา คาความเขมของแสงอาทตย คาความหนาของชนแอคทฟ และประสทธภาพในการเกบประจทถกกระตน

- ความตางศกยเปดวงจร (Open-circuit voltage) ความตางศกยเปดวงจร (VOC) คอ คาความตางศกย ขณะทไมตองการให

มกระแสเกดขนในเซลลแสงอาทตยทถกกระตนดวยแสง ดงน นทจด VOC จงไมมกระแสภายนอกเกดขนในชนงานทถกกระตนดวยแสง หรอกลาวคอ คากระแสเปนศนยทจดน (I=0 แอมแปร)

VOC

ISC

Bias (v)

VOC

ISC

Jmax

Vmax

Pmax = Jmax Vmax

0

-1

-2

-3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Cur

rent

dens

ity, J

(mA/

cm3 )


- Fill Factor บรเวณทแสดงคาพลงงานทเซลลแสงอาทตยใหออกมา ในจตภาค

(Quartile) ท 4 จากกราฟความสมพนธระหวางกระแส (I) และความตางศกย (V) สามารถหาคา Fill factor (FF) ได ซงสามารถค านวณไดจากคาพลงงานจากจดทใหพลงงานงานสงทสดจากกราฟ (Maximum deliverable power, Pmax) หารดวยคาพลงงานสงทสดจากการค านวณทางทฤษฎ ซงไดมาจากคา VOC และ ISC ดงแสดงในสมการ 8.13

OCSCtheor VI

VI

P

PFF

== maxmax

max

max …………… (8.13)

จากการค านวณ ถาคา Fill factor มคาสงแสดงวาเซลลแสงอาทตยนนมคณภาพสง

- ประสทธภาพของเซลลแสงอาทตย (Power conversion efficiency) ประสทธภาพในการผลตกระแสไฟฟาจากแสง () แสดงถง

ความสามารถในการแปลงพลงงานแสงเปนกระแสไฟฟาของเซลลแสงอาทตย ซงสามารถค านวณไดจากคาพลงงานสงสด ตอคาพลงงานของแสงทใหเขามา ดงแสดงในสมการ 8.14

light

OCSC

light P

FFVI

P

P == max …………… (8.14)

เนองจากประสทธภาพในการผลตกระแสไฟฟาจากแสงขนอยกบอณหภมกระตน (Temperature excitation) สเปกตรมของแสง และความเขมของแสงทไดรบ ดงนนการทดสอบหาประสทธภาพในการผลตกระแสไฟฟาจากแสง ตองอยภายใตเงอนไขเดยวกน จงจะสามารถเปรยบเทยบกนได ยกตวอยางการทดสอบหาประสทธภาพของเซลลแสงอาทตยชนดอนทรย แสดงดงสมการ 8.15

( )( ) 0/1 −−= LUMOEHOMOEeV AcceptorDonor

OC ………… (8.15)


เมอ VOC คอ ความตางศกยเปดวงจร (V) e คอ คาประจของอเลกตรอน

EDoner HOMO คอ คาระดบพลงงานของชน HOMO ของพอลเมอรตวใหอเลกตรอน

EAcceptorLUMO คอ คาระดบพลงงานของช น LUMO ของพอลเมอรตวรบอเลกตรอน

สมการ 8.15 เปนสมการทใชในการหาคาประสทธภาพของเซลลแสงอาทตยชนดอนทรยแบบ 2 รอยตอ ทประกอบดวยพอลเมอร 2 ชนด ทมคาพลงงานชองวางแตกตางกนผสมรวมกนเปนชนกระตน (Active) คอ พอลเมอร P3HT และ PCBM ดงแสดงในภาพ 8.12

เมอ P3HT คอ Poly (3-hexythiophene-2,5-diyl) PCBM คอ Phenyl-C61-butyric acid methyl ester

ภาพ 8.12 ระดบพลงงาน HOMO และ LUMO ของตวใหอเลกตรอน (Donor) และตวรบอเลกตรอน (Acceptor) ในการค านวณหาคาความตางศกยเปดวงจร (VOC) (Kruefu et al., 2010)

LUMODonor

HOMODonor

EDonor

ELUMO

EHOMO

VOC

LUMOAcceptor

HOMOAcceptor

EAcceptor

Vacuum level


8.2.1.2 ตวอยางเซลลแสงอาทตยแบบหลายชน ภาพ 8.13 แสดงเซลลแสงอาทตยชนดแบบหลายชนทใชซงกออกไซดทเจอดวย

ทอง (Au/ZnO) P3HT และ PCBM เปนตวเวนชวงแสง ประกอบดวยชนตางๆ ดงน ซบสเตรท (Substrate) เปนกระจกโปรงใสเพอใชเปนฐานรองรบความแขงแกรงของเซลลแสงอาทตย ชนตอมาเปนชนของฟลมอนเดยม-ดบก ออกไซด (Indium Tin Oxide, ITO) ท าหนาทเปนขวไฟฟา ชนตอมาเปน PEDOT:PSS (Poly[3,4-(ethylenedioxy)-Thiophene]:Poly(styrene sulfonate) ซงเปนพอลเมอรน าไฟฟา (Conjugated polymer) ทมคาศกยไฟฟาสงกวา ITO ซงโพลเมอรตวนท าหนาทเกบโฮล (h+) ไดด ท าใหประสทธภาพของเซลลแสงอาทตยดขน ชนตอมาเปนชน แอคทฟ (Active layer) ประกอบไปดวย โคพอลเมอร(Copolymer) ซงท าหนาทเปนตวใหอเลกตรอน สวนซงกออกไซดทเจอดวยทอง และ PCBM ท าหนาทเปนตวรบอเลกตรอน ถดจากชนกระตน เปนชนบางๆ ของลเทยมฟลออไรด (LiF) ซงมความหนาประมาณ 3-4 นาโน-เมตร ท าหนาทใหอเลกตรอนทเคลอนทไปยงขวไฟฟา (Electrode) ตรงขามมประสทธภาพดยงขน และชนสดทายเปนขวไฟฟาอลมเนยม (Aluminium electrode) ท าหนาทรบอเลกตรอน จากนนเซลลแสงอาทตยทสรางขนจะถกทดสอบหาลกษณะเฉพาะ รวมถงประสทธภาพในการเปลยนพลงงานแสงเปนพลงงานไฟฟา

(ก) (ข)

ภาพ 8.13 (ก) โครงสรางของพอลเมอรและชนรปแบบของเซลลแสงอาทตยแบบ 2 รอยตอ (ข) โครงสรางของเซลลแสงอาทตยแบบ 2 รอยตอ ชนดสารอนทรย (Kruefu et al., 2010)

P3HT

PCBM

P-type

N-type HOMO

LUMO LiF/Al

P3HT:PCBM:ZnO PDOT:PSS

ITO Glass substrate

S n

O OMe


8.2.1.3 การวเคราะหกราฟความสมพนธระหวางกระแส และความตางศกยของเซลลแสงอาทตย ภาพ 8.14 แสดงกราฟลกษณะเฉพาะระหวางความหนาแนนกระแส (JSC,

mA/cm2) และคาความตางศกย (V) ของเซลลแสงอาทตยชนดอนทรยทใชซงกออกไซดทเจอดวยทองและ PCBM เปนตวเวนชวงแสง

ภาพ 8.14 กราฟแสดงลกษณะเฉพาะระหวางความหนาแนนกระแส (JSC, mA/cm2) และคาความตางศกย (V) ของเซลลแสงอาทตยชนดสารอนทรย ทใชซงกออกไซดทเจอดวยทองและ PCBM เปนตวเวนชวงแสงในตวท าละลาย Dichlorobenzene (Khantha, 2013)

จากกราฟความสมพนธของเซลลแสงอาทตยระหวางความหนาแนนกระแส (mA/cm2) และคาความตางศกย (V) ของเซลลแสงอาทตยทสรางขนในภาพ 8.14 มลกษณะเพมขนเปนรปพาราโบลาหงายจากคาความหนาแนนกระแสทเปนลบ จนไปตดแกน x (ความหนาแนนกระแสเปนศนย) ทคาความตางศกยตางๆ กน โดยเซลลแสงอาทตยชนดอนทรยนใช

Curr

ent d

ensit

y (mA

/cm2 )

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Voltage (V)

DCB DCB + 3 mol% Au-doped ZnO

0.0

-7.5 -7.0 -6.5 -6.0 -5.5 -5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5


PCBM ทละลายในสารละลาย Dichlorobenzene (DCB) ผสมกบสารละลายซงกออกไซดทเจอดวยทองเปนชนแอคทฟ ใหคาความความตางศกยเปนลบทคาหนาแนนกระแสเปนศนยสงทสด แตคาความหนาแนนกระแสทคาความตางศกยเปนศนย มคาต ากวาเซลลแสงอาทตยทไมไดเตม ซงกออกไซดทเจอดวยทอง อยางไรกตามคาประสทธภาพในการผลตกระแสไฟฟาจากแสงไมไดค านวณจากคา JSC และ VOC อยางใดอยางหนงเทานน หากแตตองค านวณจากพนทใตกราฟระหวางความหนาแนนกระแสและคาความตางศกย ดงนนจากภาพ 8.14 จะพบวาเซลลแสงอาทตยชนดอนทรยทเตมซงกออกไซดทเจอดวยทองในชนแอคทฟ ใหคาประสทธภาพในการผลตกระแสไฟฟาจากแสงสงทสด

8.2.2 การตรวจจบแกส (Gas sensor) ของอนภาคนาโนของสารประกอบออกไซด ยกตวอยางการประยกตใชอนภาคนาโนซงกออกไซดเปนตวตรวจจบแกส 8.2.2.1 กลไกลการท างานของตวตรวจจบแกส การตรวจจบแกสของตวตรวจจบแกส เกดขนจาการมชองวางออกซเจนใน

โครงสรางผลก เมอซงกออกไซดมอณหภมสงขน แกสออกซเจนในอากาศโดยรอบจะเขามายดตดกบชองวางออกซเจน โดยการดงอเลกตรอนจากบรเวณทพนผวของซงกออกไซดแลวแตกตวเปนไอออนลบ ดงนคอ กลมของซปเปอรออกไซดไอออน (Superoxide ion) (O2

- หรอ O-

หรอ O2-) ดงแสดงในสมการ 8.16-8.19 O2(g) O2(ads) …………… (8.16) O2(ads) + e- O-

2(ads) …………… (8.17) O-

2(ads) + e- 2O-(ads) …………… (8.18)

O-(ads) + e- O2-

(ads) …………… (8.19)

จากนนไอออนลบจะเขามายดตดทผวหนาของซงกออกไซด ในบรเวณทมชองวางออกซเจน โดยกลไกการตรวจจบแกสจะเรมตนจากกระบวนการดดซบออกซเจน (Oxygen adsorption) ท อณหภมการท างานในชวง 200-400 องศาเซลเซยส โดยเมอฟลมเซนเซอรสมผสกบอากาศทอณหภมสง อเลกตรอนจะท าปฏกรยากบออกซเจนกลายเปนออกซเจนไอออน เชน O2- หรอ O- ซงจะกอตวเปนก าแพงศกยคอยขดขวางการเคลอนทของ


อเลกตรอนอสระผานระหวางเกรนไมใหเปนไปอยางอสระ ท าใหสภาพการน าไฟฟาของฟลมเซนเซอรลดลง โดย O- จะมผลตอการเปลยนแปลงคาความน าไฟฟาใหมคาต ามาก เมออยในสภาวะอากาศบรสทธ และอณหภมการท างานปกตซงจะมผลท าใหก าแพงศกยมคาสง

กระบวนการตรวจจบแกสสามารถสรปไดเปน 2 ขนตอน ดงแสดงในภาพ 8.15ดงตอไปนคอ

- อเลกตรอนทปกคลมพนผวของฟลมเซนเซอรท าปฏกรยากบออกซเจนกลายเปน O2- หรอ O- ซงจะมผลท าใหก าแพงศกยมคาสงขนและท าใหสภาพความน าไฟฟามคาลดลง

- ผลของแกสรดวส (Reducing gases) จะท าใหปรมาณของออกซเจนทถกดดซบบรเวณพนผวของฟลมเซนเซอรลดลง ซงจะท าใหก าแพงศกยลดลง และมผลตอเนองท าใหคาความน าไฟฟาเพมขน ส าหรบผลของแกสออกซไดซ (Oxidizing gas) จะใหผลตรงกนขาม กลาวคอขณะทมแกสเขามาท าปฏกรยากบออกซเจนไอออน อเลกตรอนจะถกดดซบดวย จงสงผลใหคาสภาพตานทานไฟฟามคาเพมขน คาการน าไฟฟามคาลดลง

ภาพ 8.15 ตวอยางการกอตวบรเวณปลอดประจของพนผวฟลม ก าแพงศกยบรเวณรอยตอเกรนมคาลดลงเมอมการเคลอนทของอเลกตรอน (Figaro, 2556)

O2 O2

แกสออกซไดซ แกสรดวส

E E eVs eVs

ขอบเกรน ขอบเกรน

อเลกตรอน อเลกตรอน

ZnO ZnO ZnO ZnO


กลไกการตรวจจบแกสของตวตรวจจบแกสสามารถอธบายกลไกของการเกดปฏกรยาไดดงตอไปน

กรณ Oxidizing gas

ขณะตรวจจบแกสไนโตรเจนไดออกไซด (Nitrogen dioxide gas; N2) NO2(g)+e -→NO2

-(ads) NO2(g)+ O2

-(ads)+2e-→2NO2-(ads)+2O-(ads)

NO2-(ads)+O2

-(ads)→2O2-(ads)+NO2

กรณ Reducing gases

ขณะตรวจจบแกสอะเซทลน (Acetylene gas; C2H2) C2H2 + O- (ads) → 2C(s) + H2O+ e- + heat C2H2 + O2

- (ads) → 2C(s) + H2O +2e- + heat ขณะตรวจจบแกสไฮโดรเจน (Hydrogen gas; H2)

H2 + O- (ads) → H2O + e- H2 + O2

- (ads) → H2O + 2e- ขณะตรวจจบแกสไฮโดรเจนซลไฟด (Hydrogen sulfide gas; H2S)

H2S + 3O- (ads) → H2O + SO2 + 3e- H2S + 3O2

- (ads) → H2O + SO2 + 6e- ขณะตรวจจบแกสซลเฟอรไดออกไซด (Sulfur dioxide gas; SO2)

SO2 + O- (ads) → SO3 + e- SO2 + O2

- (ads) → SO3 + 2e- ขณะตรวจจบของเอทานอล (Ethanol; C2H5OH)

C2H5OH (gas) + O- → CH3CHO + H2O + e- C2H5OH (gas) → H + C2H5O (surface)

ภาพ 8.16 แสดงปฏกรยาระหวางออกซเจนกบอเลกตรอนบนพนผวฟลมเซนเซอรซงกออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม (Kruefu, 2011)


ภาพ 8.16 ปฏกรยาระหวางออกซเจนกบอเลกตรอนบนพนผวฟลมเซนเซอรซงกออกไซดทเจอดวยไนโอเบยม (Kruefu, 2011)

8.2.2.2 สมบตของตวตรวจจบแกส ตวตรวจจบแกสทดควรมสมบตทส าคญ 6 ประการคอ 1. ความจ าเพาะ (Selectivity) ความจ าเพาะ คอ ความสามารถในการแยกแยะความแตกตางระหวาง

แกสทตองการตรวจจบกบแกสทไมตองการตรวจจบ กลาวคอ ตวตรวจจบแกสชนดหนงๆ ควรมความสามารถในการตอบสนองตอแกสชนดหนงชนดเดยวทตองการตรวจจบ ไมควรทตอบสนองตอแกสชนดอน เพราะท าใหเกดสญญาณรบกวนการตรวจจบได วสดทใชท าฟลมเซนเซอรควรมความไวในการตอบสนองตอแกสทตองการตรวจจบ หรอเฉอยตอการตอบสนองตอแกสทไมตองการตรวจจบ ความจ าเพาะเปนสมบตทส าคญมาก ตวตรวจจบแกสทดตองมความจ าเพาะสง

2. คาการตอบสนอง (Response, R) คาการตอบสนอง คอ ความสามารถในการตรวจจบแกสของตว

ตรวจจบ เชน ตวตรวจจบแกสบางชนดไมสามารถบอกความแตกตางของแกสปรมาณนอยๆ ได เชน เมอน าตวตรวจจบแกสไปตรวจจบแกส 2 บรเวณทมปรมาณแกสแตกตางกนนอยๆ

3.2 eV

ทอง

ฟลมเซนเซอร อลมนา

ก าแพงศกย

VB

CB Nb

Nb Nb Nb

O2-

O2-

O2- O2

- O2-

O2-

O2-

O2-


ยกตวอยางเชน ทความเขมขนของแกส 4 พพเอม กบ 5 พพเอม ท าใหไมสามารถแยกแยะไดวาเปนแกสชนดใด สมบตชนดนส าคญเฉพาะกรณทตองการความถกตองในการตรวจจบสง หรอแกสทตรวจจบมปรมาณนอยๆ เทานน เมอสารประกอบโลหะออกไซดเกดปฏกรยาเคมกบแกส คาการตอบสนอง สามารถค านวณไดจากคาการเปลยนแปลงของความตานทานไฟฟา ดงแสดงในสมการ 8.20

g

a

a

gS

== …………… (8.20)

เมอ S คอ คาการตอบสนอง a คอ สภาพความตานทานไฟฟาของตวตรวจจบทคงทกอนไดรบไอสาร g

คอ สภาพความตานทานไฟฟาของตวตรวจจบขณะไดรบไอสาร

g คอ สภาพความน าไฟฟาของตวตรวจจบกอนไดรบไอสาร a คอ สภาพความน าไฟฟาของตวตรวจจบขณะไดรบไอสาร

การค านวณหาคาการตอบสนองของตวตรวจจบแกสค านวณจากอตราสวนระหวางความตานทานของสองสภาวะ ดงแสดงในภาพ 8.17 คอ ความตานทานในสภาวะบรรยากาศ และความตานทานในสภาวะทมแกสเขามาท าปฏกรยากบตวตรวจจบแกส ทงนสมการทใชในการค านวณคาการตอบสนองในการตรวจจบแกสชนดตางๆ ตอตวตรวจจบแกสน นจะขนอยกบชนดของแกสทจะท าการทดสอบวาเปนชนดใดระหวางแกสรดวส (Reducing gas) หรอแกสออกซไดซ (Oxidizing gas) การค านวณหาคาความไวในการตรวจจบแ ก ส ช น ด แก ส ร ด ว ส เช น แ ก ส ซ ล เฟ อ ร ได ออก ไซ ด (Sulfur dioxide, SO2) แก สคารบอนมอนอกไซด (Carbon monoxide, CO) ไอของเอทานอล (Ethanol, C2H5OH) และไอของแอมโมเนย (Ammonia, NH3) เปนตน ตอตวตรวจจบแกส สามารถค านวณไดจากสมการ 8.21 และการค านวณหาคาความไวในการตรวจจบแกสชนดแกสออกซไดซ เชน แกสไนโตรเจนไดออกไซด (Nitrogen dioxide, NO2) เปนตน ตอตวตรวจจบแกส สามารถค านวณไดจากสมการ 8.22 ภาพ 8.17 แสดงกราฟความสมพนธระหวางเวลากบความตานทานของแกสชนดออกซไดซ และรดวส


gas

gasair

gas

air

R

RR

R

RS

−== (ส าหรบแกสรดวส) …………… (8.21)

air

airgas

air

gas

R

RR

R

RS

−== (ส าหรบแกสออกซไดซ) …………… (8.22)

โดยท S คอ คาการตอบสนอง

airR คอ คาของตานทานในสภาวะบรรยากาศ gasR คอ คาของตานทานในสภาวะทมแกสเขามาท าปฏกรยา

ภาพ 8.17 กราฟแสดงความสมพนธระหวางเวลากบความตานทานของแกสชนด (ก) ออกซไดซ และ (ข) รดวส (Figaro, 2556)

3. เวลาการตอบสนอง (Response time, Tres) เวลาการตอบสนอง คอความสามารถในการตอบสนองอยางรวดเรว

ในทนทของตวตรวจจบแกสเมอสมผสกบแกสทตรวจจบสมบตขอนมความส าคญมากโดยเฉพาะอยางยงเมอมแกสทท าการตรวจจบเปนแกสไวไฟ หรอแกสพษ เพอสามารถปองกนและแกไขไดทนทวงทกอนทจะไดรบอนตราย ขณะทสารประกอบโลหะออกไซดเกดปฏกรยาเคมกบแกส คาสภาพตานทานไฟฟาจะเปลยนแปลงตามเวลา (Transient response) อยครหนง

Sample gas (Rgas) Gas in Gas out

Air (Rair) Air (Rair)

Sample gas (Rgas)

Gas in Gas out Time Time

Resis

tance

()

Resis

tance

()


แลวคง ท กบ เวลา (Steady state response) เวล าการตอบสนอง เป น เวลาขณะ ท มก ารเปลยนแปลงของคาสภาพตานทานไฟฟาเปน 90 เปอรเซนตของผลตางระหวางคาสภาพตานทานไฟฟาเดมกบคาสภาพตานทานไฟฟาทคงทกบเวลา ดงแสดงในภาพ 8.18

4. เวลาการคนกลบสสภาพเดม (Recovery time, Trec) เวลาการคนกลบสสภาพเดม คอความสามารถในการคนกลบสสภาพ

เดมของตวตรวจจบแกส ภายหลงจากการเกดปฏกรยากบแกส สมบตขอนกมความส าคญมากเชนเดยวกนเนองจากวาเปนการบงบอกไดถงความสามารถ และประสทธภาพทดของตวตรวจจบแกส เวลาคนกลบสสภาพเดมเปนตวแปรทแสดงสภาพการคนกลบสสภาวะปกตอยางรวดเรวภายหลงจากการเกดสภาวะในการตอบสนองตอแกส เมอภายหลงการเกดปฏกรยาเคมกบแกส คาสภาพตานทานไฟฟาทเปลยนแปลง (Transient response) อยครหนงแลวคงทกบเวลา (Steady state response) เมอไมมแกสเขามาท าปฏกรยาอยางตอเนองแลวความตานทานจะกลบสสภาวะเดม (Original baseline) เวลาการคนกลบสสภาพเดมเปนเวลาทมการเปลยนแปลงของคาสภาพตานทานไฟฟากลบสสภาพเดมจนมคาเปน 90 เปอรเซนต ของผลตางระหวางคาสภาพตานทานไฟฟาทคงทกบเวลาในสภาพการตอบสนองตอแกส ดงแสดงในภาพ 8.18

ภาพ 8.18 เวลาในการตอบสนอง และเวลาในการกลบคนสสภาพเดม (Figaro, 2556)

Gas in Gas out

Sensor response

S = Ra / Rg Air (Ra)

Air (Ra) 90%R

TRa1

TRa1

TRa2

TRa2

Time

Tres 90%

Trec 90%

Resis

tance

()


การค านวณหาคาเวลาการตอบสนอง และเวลาการกลบคนสสภาพเดมท 90 เปอรเซนต ของคาความตานทานเมอมแกสเขามาท าปฏกรยา และคาความตานทานสภาวะเดมของตวตรวจจบแกส สามารถค านวณไดจากสมการ 8.23 และ 8.24 ตามล าดบ

( )

1111100

90RaRgRaRares TTTTT −

−−= …………… (8.23)

( ) 2222100

90RaRgRaRarec TTTTT −

−−= …………… (8.24)

โดยท resT คอ เวลาในการตอบสนอง recT คอ เวลาในการกลบคนสสภาพเดม

1RaT คอ เวลาทคาของความตานทานในสภาวะบรรยากาศ ( aR ) คงท กอนเกดการเปลยนแปลงของคาความตานทานเมอมแกสเขามาท าปฏกรยา

1RgT คอ เวลาทคาของความตานทานในสภาวะทมแกสเขาไปท าปฏกรยากบตวตรวจจบแกส ( gR ) คงท กอนเกดการเปลยนแปลงของคาความตานทานกลบสสภาพเดม

2RaT คอ เวลาทคาของความตานทานในสภาวะกลบสบรรยากาศ ( aR ) คงทอกครง หลงจากเกดการเปลยนแปลงของคาความตานทานเมอมแกสเขามาท าปฏกรยา

2RgT คอ เวลาทคาของความตานทานในสภาวะทมแกสเขาไปท าปฏกรยากบตวตรวจจบแกส ( gR ) คงท จด สดทาย กอน เกดการเปลยนแปลงของคาความตานทานกลบสสภาพเดมในการหาคาการคนกลบสสภาพเดม


5. เสถยรภาพ (Stability) เสถยรภาพ คอ ความสามารถในการตรวจจบแกสของตวตรวจจบทไม

เสอมสภาพเรวในการใชงาน หรอใหคาการตอบสนองทคงทและตอเนอง 6. พสยการตรวจจบ (Dynamic range) พสยการตรวจจบ คอ ชวงกวางของความเขมเขนของแกสทตวตรวจจบ

แกสสามารถจบแกสได ตวตรวจจบแกสบางตวสามารถตรวจจบปรมาณแกสตงแตความเขมขนของแกส 1000-100,000 พพเอม แตบางตวใชวดในชวงความเขมขนของแกส 5-10 พพเอม

8.2.2.3 การวเคราะหผลจากกราฟความสมพนธระหวางเวลากบคาความตานทานทเกดขน

ภาพ 8.19 แสดงการเปลยนแปลงของคาความตานทานในการตอบสนองตอไอของเอทานอล แกสไฮโดรเจน และแกสอะเซทลน ตามล าดบ ของฟลมซงกออกไซดทเจอดวยทองความเขมขน 0.25, 0.50 และ 1 เปอรเซนตโดยโมล ขณะอณหภมในการท างานของตวตรวจจบแกสท 350 องศาเซลเซยส พบวาฟลมซงกออกไซดทเจอดวยทองมคาการเปลยนแปลงของความตานทานทดตอไอของเอทานอลไดดทสดเมอเปรยบเทยบในการตรวจจบแกสชนดอน โดยพจารณาจากคาความตานทานเรมตนและคาความตานทานขณะทมแกสเขามาท าปฏกรยา และพบวาฟลมซงกออกไซดทเจอดวยทอง 0.50 เปอรเซนตโดยโมล ใหคาการตอบสนองทดทสดเมอเทยบกบฟลมซงกออกไซดทเจอดวยทองในปรมาณอนๆ ดงนนจงอาจกลาวไดวาทองทเจอลงไปในซงกออกไซดชวยเพมประสทธภาพในการจรวจจบแกสใหดยงขน เมอเทยบกบซงกออกไซดบรสทธ


ภาพ 8.19 การเปลยนแปลงของคาความตานทานของฟลมซงกออกไซดทเจอดวยทองทความเขมขนตางๆ ในการตอบสนองตอไอของเอทานอล แกสไฮโดรเจน และแกสอะเซทลน (มณฑรา, 2555)


8.3 ประยกตใชทางดานสงทอ สงทอนาโน หมายถง สงทอทวไปทมการน านาโนเทคโนโลยมาประยกตใชใน

ขนตอนการผลตหรอหลงการผลต เพอเพมประสทธภาพของสงทอใหมสมบตพเศษเพมขน เชน ปองกนแบคทเรย กนน า เปนตน

สงทอนาโนจะมเสนใยนาโน (Nano-fiber) หรออนภาคนาโน (Nanoparticles) อยบนผว หรอผสมอยในเนอของเสนใย หรอมชนฟลมบางในระดบนาโน (Nano thin film) เคลอบอยบนผวของเสนใย อนภาคนาโนหรอชนฟลมบางนาโนจะมการจดเรยงตวใหมบนเสนใยอยางเปนระเบยบท าใหมสมบตใหมเกดขน หรอเรยกวาสมบตพเศษของสงทอนาโน ยกตวอยางเชน

- สมบตกนน าหรอสะทอนน า เสอนาโนกนน าหรอสะทอนน า เปนการเตรยมผาใหมสมบตกนน าหรอสะทอนน า โดยการเคลอบสารทไมชอบน าลงบนผา เมอน า หรอกาแฟ หกลงบนผา กจะกลงไปมาบนผาโดยไมซมเขาในเสนใย ท าใหผาสะอาดเพราะสงสกปรกซมเขาไปในเสนใยไดยาก ซงมลกษณะคลายกบน าทกลงอยบนใบบว

- สมบตยบย งเชอแบคทเรย เสนใยนาโนทผานการเตมอนภาคนาโน (Nano-particle) เชน ไท เทเนยม

ไดออกไซด หรอซงกออกไซด ลงในเสนใยในขนตอนของกระบวนการผลต เสนใยจะมสมบตพเศษในการตานแบคทเรย หรอเชอรา เสนใยนาโนเปนเสนใยทมขนาดเสนผานศนยกลางนอยกวา 1 ไมโครเมตร การผลตเสนใยนาโนสามารถเตรยมไดจากกระบวนการ Electro-spinning ซงเมอฉดสารออกมาผลตภณฑจะอยในรปของผา Nonwoven

- สมบตปองกนการเกดไฟฟาสถต เนอผาทเคลอบดวยสารเพมความชน เชน สารในหมไฮดรอกซล (OH-) ไซเลน-

นาโนซอล (Silane nanosol) หรอสารทมสมบตน าไฟฟา เชน ไทเทเนยมไดออกไซด และ ซงกออกไซด จะสามารถลดไฟฟาสถตทสะสมในเนอผาได

- สมบตปองกนรงสอลตราไวโอเลต ทง UV-A และ UV-B อนภาคทมขนาดเลกลงในระดบนาโนเมตรของไทเทเนยมไดออกไซด และ

ซงกออกไซด จะมสมบตในการปองกนรงสอลตราไวโอเลตได โดยจะสามารถสะทองแสงและ


รงสอลตราไวโอเลตไดดยงขน เนองจากสารทมขนาดเลกในระดบนาโนเมตรจะมพนทผวมากขน ทงยงมสมบตโปรงแสง มลกษณะใส ซงสามารถปองกนกนไดทง UV-A และ UV-B โดยเมอน าอนภาคดงกลาวเคลอบบนเสนใยผากจะสามารถกนรงสอลตราไวโอเลตได

- สมบตปองกนการยบ อนภาคนาโนไทเทเนยมไดออกไซดเปนสารทท าใหเกดการเชอมตอระหวางเสน

ใยเซลลโลสในเนอผาฝายได และอนภาคนาโนซลกาผสมกบสารกระตนมาเลอกแอนไฮดรายด (Meleic anhydride) สามารถปองกนการยบในผาไหมไดด ทงนเพราะผาฝายและผาไหม เปนผาทสวมใสสบายแตยบงาย

- สมบตอนๆ เชน เบา นมลน ใหกลนหอม เปนตน 8.4 ประยกตใชทางดานการแพทย

การน านาโนเทคโนโลยมาประยกตใชในทางการแพทย มเปาหมายทส าคญ ดงนคอ - เพอใหเกดความแมนย าในการวนจฉยโรค การน านาโนเทคโนโลยมาใชกเพอให

สามารถออกแบบแนวทางการตรวจวนจฉยโรคตางๆ ทรวดเรว ถกตอง และแมนย ามากขน นอกจากนดวยหลกการเดยวกนยงสามารถน าไปประยกตใชในการตดตามผลการรกษาทสามารถหลกเลยงผลขางเคยงหรอฤทธอนไมพงประสงคทเกดจากการบ าบดรกษาไดมากกวาเดม

- เพอใชในการศกษากระบวนการทางสรรวทยาทเกดขนในรางกายมนษยโดยใชแนวทางของนาโนเทคโนโลย และประยกตใชส าหรบศกษาความผดปกตทเกดจากโรคภยไขเจบทกชนด รวมทงโรคทยงไมทราบสาเหต

- เพอสรางหนยนตนาโน (Nanorobots) ส าหรบท าหนาท ชวยเซลลในระบบภมคมกนของรางกายทมอยในธรรมชาต โดยท าหนาทปองกนอนตรายจากสงแปลกปลอมทงทกอใหเกดการตดเชอ กอใหเกดโรคมะเรง และกอใหเกดโรคออโตอมมน คลายกบคอมพวเตอรดเอนเอ (DNA computer) ทก าลงไดรบการพฒนาเพอมาแทนทชพซลกอน (Silicon Chip) ในอนาคต


บรรณานกรม 1. กระบวนการ Photocatalytic. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://sichon.wu.ac.th/file/

envi-shh-20090110-112240-pwrqR.pdf (20 มนาคม 2555) 2. พรรณทพย ตงปรยารกษ. 2551. เทคนคปฏบตการใชเครอง UV-Vis spectrophotometer

ในการวเคราะหทางเคม . [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.mwit.ac.th/~ sarawoot/chem40235.htm (5 มนาคม 2555)

3. ภทร สขแสน . 2554. พนผวอจฉรยะดวยนาโนเทคโนโลย. ภาควชาวทยาการและวศวกรรมวสดคณะวศวกรรมศาสตรและเทคโนโลยอตสาหกรรมมหาวทยาลยศลปากรวทยาเขตพระราชวงสนามจนทร. วารสารวทยาศาสตรบรพา. 16 (1): 124-130.

4. มณฑรา ผารนทร. 2555. การสงเคราะหและหาลกษณะเฉพาะของอนภาคนาโนซงกออกไซดทเจอดวยทองและไนโอเบยมส าหรบประยกตใชเปนตวตรวจจบแกส . รายงานการศกษาอสระ คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยแมโจ. 120 น.

5. วรยา ภคเวช. 2554. เสอนาโน. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.nstda.or.th/nstda-doc-archives/doc_download/34- (20 มนาคม 2555)

6. วรนธชา เครอฟ. 2556. ผลของทองตอความสามารถในการยอยสลายสารประกอบอนทรยในแหลงน าธรรมชาตของอนภาคนาโนซงกออกไซดทสงเคราะหโดยเฟลมสเปรยไฟโรลซส, งานวจยคณะวทยาศาสตร. มหาวทยาลยแมโจ

7. Ammerlaan, J., McCurdy, R.J., Hurst, S.J. 2000. Process from the production of photocatalytic coatings on substrates. World patent 00/75087.

8. Blossey, R. 2003. Self-cleaning surfaces-virtual realities. Nature Mater. 2: 301-306. 9. Building with Conscience. วสดกอสรางทมสมบตการท าความสะอาดตวเอง. [ระบบ

ออนไลน]. แหลงทมา http://www.stocorp.com (20 มนาคม 2555) 10. Cassie, A.B.D., Baxter, S. 1944. Wettability of porous surface. Transitions Far. Soc.

40: 546-551.

http://sichon.wu.ac.th/file/%20envi-shh-20090110-112240-pwrqR.pdf

http://sichon.wu.ac.th/file/%20envi-shh-20090110-112240-pwrqR.pdf

http://www.mwit.ac.th/~%20sarawoot/chem40235.htm

http://www.mwit.ac.th/~%20sarawoot/chem40235.htm

http://www.nstda.or.th/nstda-doc-archives/doc_download/34-

http://www.nstda.or.th/nstda-doc-archives/doc_download/34-

http://www.stocorp.com/


11. Feng X.J., Feng L, Jin M.H., Zhai J. 2004. Reversible super-hydrophobicity to super-hydrophilicity transition of aligned ZnO nanorod films. J. Am. Ceram. Soc. 126: 62-63.

12. Figaro. 2556. Operating principle of semiconductor type gas sensors. [Online]. Available http://www.figaro.co.jp/en/item2.html (5 มถนายน 2556)

13. Gimat. 2551. ผวท าความสะอาดตวเองแบบใชหลกการความไมชอบน ายงยวด . [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.ngimat.com/ (20 มนาคม 2555)

14. Greenberg, C.B., 2000. Photocatalytically-activatedself-cleaning article and method of making. World patent 98/41480.

15. Jazairli M.A.K., 2008. Growth of zinc oxide nanoparticles on top of polymer and organic small molecules as a transparent cathode in tandem photovoltaic device, Ph.D. thesis, Linkoping University, Sweden.

16. Khantha, C., Yakhanthip, T., Macneill, C.M., Aiamsen, P., Kruefu, V., Kungwan, N., Coffin, R.C., Phanichphan,t S., Carroll, D.L. 2013. Synthesis of copolymer thieno[3,4-b]thiophene and benzodithiophene for application in solar cells, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 578: 1-7.

17. Kruefu, V. 2011. Syntheses of niobium-doped zinc oxide nanoparticles by flame spray pyrolysis and their applications. Ph.D. thesis. Chiang Mai University

18. K ruefu, V ., Ninsonti, H., Wetchakun, N., Inceesungvorn, B., Pookmanee, P., Phanichphant, S. 2011. Photocatalytic degradation of phenol using Nb-doped ZnO nanoparticles, Engineering Journal. 16(3): 91-99.

19. Kruefu, V., Peterson, E., Khantha, C., Siriwong, C., Phanichphant S., Carroll, D.L. 2010. Flame-made niobium doped zinc oxide nanoparticles in bulk heterojunction solar cells, Appl. Phys. Lett. 97: 053302.

http://www.ngimat.com/

http://www.scientific.net/author/Burapat_Inceesungvorn


20. Liewhiran, C., Phanichphant, S. 2007. Effects of palladium loading on the response of a thick film flame-made ZnO gas sensor for detection of ethanol vapor. Sensors, 7(7): 1159-1184.

21. Liewhiran, C., Phanichphant, S. 2007. Influence of thickness on ethanol sensing characteristics of doctorbladed thick film from flame-made ZnO nanoparticles. Sensors, 7: 185-201.

22. Nanotex. ผลตภณฑสงทอทมสมบตการท าความสะอาดตวเอง . [ระบบออนไลน ]. แหลงทมา http://www.nanotex.com (20 มนาคม 2555)

23. Pilkington. 2554. ผลตภณฑท เปนกระจกท าความสะอาดตวเอง . [ระบบออนไลน ]. แหลงทมา http://www.pilkington.com/seflcleaningglass (20 มนาคม 2555)

24. Poole Jr, C.P., Owens, F.J. 2003. Introduction to nanotechnology. John Wiley & Sons, Inc. 400 page.

25. Schierbaum, K.D. SnO2 sensors. Sens. Actuators B: Chem. 71(18-19): 1194-1201. 26. Tseng, Y.K., Huang, C.J., Cheng, H.M., Lin, I.N. 2003. Properties of needle-like zinc

oxide nanowires grown vertically on conductive zinc oxide films. Adv. Funct. Mater. 13: 811-814.

27. Wagh, M.S., Patil, L.A., Seth, T., Amalnerkar, D.P. 2004. Surface cupricated SnO2–ZnO thick films as a H2S gas sensor. Mater. Chem. Phys. 84: 228-233.

28. Wenzel, R.N. 1936. Surface roughness and contact angle. Ind. Eng. Chem. Res. 28: 988-994.

29. Zhu, B.L., Zeng, D.W., Wu, J., Song, W.L., Xie, C.S. 2003. Synthesis and gas sensitivity of In-doped ZnO nanoparticles. J. Mater. Sci. –Mater. Electron. 14: 521-526.

http://www.nanotex.com/

http://www.pilkington.com/seflcleaningglass



8.1 ความหวงทส าคญทสดของมนษยชาตในการน านาโนเทคโนโลยมาใชคออะไร 8.2 ปจจบนมการน านาโนเทคโนโลยมาใชในดานอาหารอยางไรบาง 8.3 แนวคดในการน าเทคโนโลยระดบนาโนไปใชในการบ าบดรกษาโรครายนนเปน

อยางไร จ าเปนตองใชสงใดบางจงจะสามารถท าได 8.4 เนองจากสมบตเดนดานใดของวสดนาโน จงมการประยกตใชนาโนเทคโนโลยกบ

อตสาหกรรมสงทอ 8.5 จงยกตวอยางเทคโนโลยทางดานนาโนทสามารถชวยวเคราะหทางการแพทยไดวา

บคคลนนมยนสทกอใหเกดโรคหรอไม พรอมทงอธบายขนตอนการตรวจสอบ 8.6 Nanobiosensor คออะไร ยกตวอยางการน าไปประยกตใชงาน 8.7 จงอธบายวานาโนเทคโนโลยตอไปนเกยวของอยางไรกบการรกษาโรคมะเรง อธบาย

- Cantilevers ของ AFM - Nanopore - Quantum dot

8.8 ผลตภณฑ เชน Nano-Care, Nano-Pel และ Nano-Touch ของบรษท NANO-TEX มสมบตเดนคออะไร

8.9 จงอธบายใหเขาใจเกยวกบการประยกตใชงานนาโนเทคโนโลยในดานตอไปน - Self cleaning - Solar cell

8.10 ถาตองการใหอเลกตรอนของซงกออกไซดสามารถกระโดดจากสถานะพนไปยงสถานะกระตน ซงม Band gab เทากบ 3.2 อเลกตรอนโวลต แสงทมากระตนจะตองมความยามคลนอยางนอยเทาใด ถาก าหนดให คาคงทของพลงคเทากบ 6.626x10-34 จล.วนาท และความเรวแสงเทากบ 3x108 เมตรตอวนาท (388 นาโนเมตร)


บทท 9 ความเปนพษของวสดนาโน:

9.1 วสดนาโนกบผลกระทบตอสงแวดลอม 9.2 ความปลอดภยของนาโนเทคโนโลย 9.3 นาโนเทคโนโลยกบความปลอดภย 9.4 ฉลากผลตภณฑนาโนคว

226 บทท 9 : จรยธรรมและความเปนพษของวสดนาโน

9.1 วสดนาโนกบผลกระทบตอสงแวดลอม การพฒนาทางดานเทคโนโลยในปจจบนไดพฒนาอยางรวดเรว และจากหลากหลาย

กจกรรมของมนษย ไดสงผลกระทบตอสงแวดลอมทงทางตรงและทางออม ยกตวอยางเชน การใชสาร คลอโรฟลออโรคารบอน (Chlorofluorocarbon, CFC) ท าใหเกดรโหวในบรรยากาศชนโอโซน ภาวะโลกรอน ความแปรปรวนของฤดกาล หรอภยพบตตางๆ เชน น าทวมและแผนดนไหว หรอสงมชวตทมความผดแปลกไป เชน จงจกสองหว เปนตน สงเหลานสะทอนถงการเปลยนแปลงของสงแวดลอมทกๆสวนทงดน น า และอากาศ ส าหรบวสดนาโนซงเปนวสดชนดใหมทยงไมรจกกนอยางแพรหลายมากนก เมอพจารณาถงการแพรกระจายของวสดนาโนสสงแวดลอม เมอใชเปนองคประกอบของสนคาหรอผลตภณฑชนดตางๆ ในขณะทผประกอบการสวนใหญยงไมไดตะหนกถงการปนเปอนของวสดนาโนสสงแวดลอม และผลกระทบทอาจจะเกดขนตามมา เนองจากผลเสยของวสดนาโนยงไมไดมผลกระทบโดยตรงตอสขภาพของมนษย แตการปนเปอนของวสดนาโนทเพมขนจากการน ามาประยกตใช อาจท าใหสงมชวตอนๆ ในระบบนเวศนทอาศยอยท งในดน น า และอากาศ ไดรบผลกระทบจากวสดนาโนได ปจจบนในตางประเทศเรมมการศกษาวจยถงผลกระทบของอนภาคนาโนตอระบบนเวศนตวอยางเชน การศกษาเปรยบเทยบความเปนพษตอระบบนเวศนของอนภาคนาโนไทเทเนยมไดออกไซด ซลกา และซงกออกไซด ในสภาพทแขวนลอยอยในน า โดยศกษาปจจยตางๆ ทสงผลตอการยบย งการเจรญเตบโตของแบคทเรย ไดแก ความเขมขนของสารแขวนลอยทง 3 ชนด ขนาดของอนภาคนาโน และการกระตนดวยแสง โดยใชแบคทเรย 2 ชนด เปนตวแทนของแบคทเรยในธรรมชาต ซงจากผลการวจยพบวา ความเปนพษตอแบคทเรยเรยงล าดบไดดงนคอ ซงกออกไซดยบย งการเจรญเตบโตของแบคทเรยมากทสด รองลงคอไทเทเนยมไดออกไซด และซลกา นอกจากนผลการวจยยงแสดงใหเหนวาอนภาคทมขนาดเลกในระดบนาโนและไดรบการกระตนดวยแสง สามารถยบย งการเจรญเตบโตของแบคทเรยไดมากขน เชน ซงกออกไซดขนาด 480 นาโนเมตร ทระดบความเขมขนเพยง 10 พพเอม (ppm) ในสภาวะทไดรบแสง สามารถยบย งการเจรญเตบโตของแบคทเรยไดถงรอยละ 90 จากตวอยางของผลการวจยน เพอจดประสงคในการยบย งการเจรญเตบโตของแบคทเรยส าหรบ

บทท 9 : จรยธรรมและความเปนพษของวสดนาโน 227

ผลตภณฑใดผลตภณฑหนง แตยงไมไดมการควบคมในกรณทอนภาคนาโนอาจแพรกระจายสสงแวดลอมซงอาจกอใหเกดอนตรายตอสงมชวตชนดอนๆได เชน ท าลายแบคทเรยทมประโยชน 9.2 ความปลอดภยของนาโนเทคโนโลย

เพอการแขงขนทางการคา ผประกอบการจงใชกลยทธตางๆ ในการสรางตลาด ซงหนงในกลยทธทใชในปจจบน คอ การน าเทคโนโลยใหมๆ มาใชในการผลตหรอเปนองคประกอบของสนคาหรอผลตภณฑ เพอใหสนคามคณภาพหรอประสทธภาพทเหนอคแขง นาโนเทคโนโลยเปนเทคโนโลยหนงททงผประกอบการและผบรโภคเรมมความเกยวของมากขน ซงการรบขอมลสวนใหญเปนไปเพยงตามค าโฆษณาของสนคาประเภทนนๆ เชน ซลเวอร นาโน คอ ใชโลหะเงนขนาดนาโน หรอไทเทเนยมนาโน คอไทเทเนยมไดออกไซดขนาด นาโน โดยสวนใหญยงไมไดรบขอมลดานความเปนพษ เนองจากขอมลดงกลาวยงอยในเฉพาะ รายงานการวจย ในขณะทสนคาทใชนาโนเทคโนโลยกลบมเพมขน ดงนนผบรโภคจงตองมความรพอสมควรในการแยกแยะทจะเลอกหรอไมเลอกใชผลตภณฑนาโน

การสรางมาตรการรองรบ โดยอาจออกเปนกฎหมายใหผประกอบการทตองการน าเขา ผลตภณฑหรอจ าหนายสนคาทใชนาโนเทคโนโลยหรอมวสดนาโนเปนองคประกอบ ตองไดรบการขนทะเบยนเปนอตสาหกรรมใหมทตองเฝาระวง เพอใหองคกรของรฐทราบถงปรมาณการใชวสดนาโน ตลอดจนเสนทางสผบรโภค จนสนสดอายการใชงานของผลตภณฑแตละชนด และเพอใหองคกรของรฐสามารถประเมนความเสยงทอาจเกดจากการใชผลตภณฑนาโนได ผประกอบการตองมผลการศกษาดานความเปนพษ ความเสยงตอการปนเปอนสสงแวดลอมกอนทจะน าเขาผลตภณฑหรอจ าหนายสนคาเหลานน รวมทงหนวยงานของรฐทท าหนาทในการก ากบดแลผประกอบการตองตระหนกถงความหลากหลายของสนคาจากนาโนเทคโนโลยทอยในหลายกลมผลตภณฑ ทงอาหาร เครองส าอาง เสอผาเครองนงหม เปนตน ดงนนจงจ าเปนอยางยงทจะตองไดรบการก ากบดแลใหเปนไปอยางมประสทธภาพ




9.3 นาโนเทคโนโลยกบความปลอดภย ระบบการตดตามและจดการความเสยงดานนาโนไดรบการรบรองขนเปนครงแรก

(Certifiable nanospecific risk management and monitoring system, CENARIOS) ใ นตางประเทศ เพอเปนการสรางมาตรฐานความปลอดภยตงแตการผลต การขนสง จนถงผบรโภค ส าหรบประเทศไทย การวจยและพฒนาดานการใชประโยชนจากนาโนเทคโนโลยมมากขน แตความรดานอนตรายจากนาโนเทคโนโลยยงนอยมาก ดงจะเหนไดจากการวจยทางดานนาโนเทคโนโลย หลกสตรการเรยนการสอนดานนาโนเทคโนโลยในระดบมหาวทยาลย หรอสนคาซงใชค าวานาโนทเพมขนมาก ซงถอวาเปนความเสยงของประเทศไทยททงงานวจยและการใชผลตภณฑจากนาโนเทคโนโลยมมากขน โดยไมมมาตรการในการควบคมดานความปลอดภยใหกบผทเกยวของกบนาโนเทคโนโลยไมวาจะเปนนสต นกศกษา นกวจย คนงานในโรงงาน หรอแมแตผบรโภค และยงไปกวานนคอการแพรกระจายสอากาศ แหลงดน และแหลงน าสาธารณะ ซงอาจกอใหเกดผลเสย คอการปนเปอนของอนภาคนาโนในสงแวดลอม และผลกระทบตอระบบนเวศนของสงมชวตโดยรวม เปนตน

9.4 ฉลากผลตภณฑนาโนคว เนองจากประเทศไทยยงไมมกฎหมายเฉพาะดานนาโนเทคโนโลย และยงไมมหนวยงานใดในภาครฐ และเอกชนทท าหนาทควบคมดแล รวมทงเฝาระวงผลกระทบในดานนาโนเทคโนโลย ดงนนศนยนาโนเทคโนโลยแหงชาตและหนวยงานทเกยวของ ไดรวมกนจดท ารางแผนยทธศาสตรดานความปลอดภยและจรยธรรมนาโนเทคโนโลย (พ.ศ. 2555-2559) ขน เพอใชเปนกรอบการท างาน ครอบคลมตงแตการสรางความรความเขาใจ ควบคมก ากบดแล เฝาระวง รวมทงบรหารจดการดานความปลอดภย และจรยธรรม ควบคไปกบการพฒนาเพอเปนการปองกน และเตรยมรบมอแกไขผลกระทบตางๆ ทอาจเกดขนจากการใชและพฒนาดาน นาโนเทคโนโลย และผลตภณฑนาโนในประเทศ ฉลากนาโนคว ดงแสดงในภาพ 9.1 คอฉลากผลตภณฑทใหการรบรองวาผลตภณฑนนมวสดนาโนเปนสวนประกอบ โดยฉลากจะระบขนาดของอนภาคนาโน และสมบตของผลตภณฑนาโน เชน สมบตตานเชอแบคทเรย (Antibacterial) เปนตน ซงมวตถประสงคเพอให


เกดความมนใจ และสรางมาตรฐานผลตภณฑนาโนใหกบผบรโภค รวมทงทราบถงสมบตของผลตภณฑนาโน ผลตภณฑทจะไดรบฉลากนาโนควตองเปนผลตภณฑทมการใชวสดนาโนในสถานะคอลลอยด (Colloid) ในขนตอนใดขนตอนหนงของการผลตผลตภณฑชนดนน หรอมการใชวสดนาโนผสมอยภายในเนอของผลตภณฑหรอเคลอบอยบนผวของผลตภณฑ

ภาพ 9.1 ฉลากนาโนคว (ศนยนาโนเทคโนโลยแหงชาต, 2554)


บรรณานกรม 1. คณะอนกรรมการดานความปลอดภยและการบรหารความเสยงดานนาโนเทคโนโลย .

2554. แผนยทธศาสตรความปลอดภยและจรยธรรมนาโน (ฉบบราง). ศนยนาโนเทคโนโลยแหงชาต

2. โครงการสารานกรมไทยส าหรบเยาวชน . ประวตความเปนมาของนาโนเทคโนโลย . [ระบบออนไลน ]. แหลงทมา http://kanchanapisek.or.th/kp6/sub/book/book.php? book=32&chap=8&page=t32-8-infodetail02.html (25 มนาคม 2555)

3. วสนต เลาหอดมโชค. 2555. ความปลอดภยในการท างานเกยวกบนาโนเทคโนโลย. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.oshthai.org/phocadownload/nano.pdf (25 มนาคม 2555)

4. ศนยนาโนเทคโนโลยแหงชาต. 2554. Nano safety. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http:// www.nanotec.or.th/th/?cat=31 (25 มนาคม 2555)

5. สพณ แสงสข. 2552. นาโนเทคโนโลยและความปลอดภย. [ระบบออนไลน]. แหลงทมา http://www.chemtrack.org/News-Detail.asp?TID=5&ID=7 (25 มนาคม 2555)

6. Adams, L.K., Lyon, D.Y., Alvarez, P.J.J. 2006. Comparative eco-toxicity of nanoscale TiO2, SiO2 and ZnO water suspension. Water Res. 40(19): 3527–3532.

7. Bartis, J.T., Landree, E., 2006. Nanomaterials in the workplace policy and planning workshop on occupational safety and health. Atlanta: National institute for occupational safety and health. 48 pages.

8. National institute for occupational safety and health. 2009. Approaches to safe nanotechnology: managing the health and safety concerns associated with engineered nanomaterials. DHHS-NIOSH Publication.

9. National institute for occupational safety and health. Nanotechnology: 10 Critical Topic Areas. [ระบ บ ออน ไลน ]. แห ล ง ท ม าhttp://www.cdc.gov/niosh/topics/ nanotech/critical.html (25 มนาคม 2555)

http://kanchanapisek.or.th/kp6/sub/book/book.php



10. Phoenix, C., Treder, M. 2003. Safe utilization of advanced nanotechnology. [Online]. Available http://crnano.org/safe.htm (25 March 2012)

http://crnano.org/about_us.htm#Principals

http://crnano.org/about_us.htm#Principals

http://crnano.org/safe.htm



9.1 โทษของวสดทมขนาดเลกในระดบนาโนมอะไรบาง 9.2 จงยกตวอยางผลกระทบจากวสดนาโนทมตอสงแวดลอม 9.3 Certifiable nanospecific risk management and monitoring system (CENARIOS) คอ

อะไร 9.4 ฉลากนาโนคว ระบอะไร มวตถประสงคเพออะไร และไดรบการรบรองจากทใด

Documents

Introduction to Nanotechnology - appmju.files.wordpress.com · Introduction to Nanotechnology นาโนเทคโนโลยีเบื องต้น เอกสารประกอบการสอน