นาโนเทคโนโลยี หรือเทคโนโลยีในการควบคุมและผลิตสรรพสิ่งด้วยความแม่นยำ ระดับ อะตอมนี้กำลังคืบคลานเข้ามาสู่ชีวิตประจำวันของเราอย่างรวดเร็ว เนื่องจากเทคโนโลยีระดับนาโนกำลังจะเข้าไปมีบทบาทในการพัฒนาการผลิตสิ่งของเครื่องใช้ อุปกรณ์อำนวยความสะดวกต่างๆ หรือแม้แต่อาหารที่เรารับประทาน ซึ่งเทคโนโลยีทางด้านนี้ก็แบ่งออกเป็นหลายสาขา และสาขาที่มีนักวิจัยให้ความสนใจค่อนข้าง สูงคือนาโนอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากมีความเป็นไปได้ในการพัฒนาเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีความชัดเจน อีกทั้งยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ในหลายสาขา
อนาคตนาโนฯ จะรุกคืบชีวิตประจำวัน
นาโนเทคโนโลยีจะเป็นเทคโนโลยีที่มีบทบาทสำคัญต่ออุตสาหกรรมโลกในด้านต่างๆ ที่น่าจะติดตามในหลายๆ ด้าน เช่น ตัวรับ (Sensor) ขนาดเล็กในระบบสื่อสาร โทรคมนาคม การออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย การเคลือบให้วัสดุมีความทนทานต่อการสึกกร่อน หรือย่อยสลาย การผลิตสารเคมีที่มีขนาดเล็กมาก ซึ่งมีความหนืดหรือคุณสมบัติพิเศษในด้านต่างๆ
ทั้งยังช่วยในการวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาของยาสารเคมี หรือตัวเร่งปฏิกิริยาได้แม่นยำ ตรวจสอบบริเวณ ที่เกิดปฏิกิริยาอย่างถูกต้อง ขณะเดียวกันก็ต้องมีการพัฒนาศาสตร์ที่จะรองรับเทคโนโลยีด้วย เช่น มาตรวิทยา เพื่อการกำหนดมาตรฐานความยาว น้ำหนัก ปริมาตร ต่อความถูกต้องแม่นยำ ซึ่งนาโนเทคโนโลยีน่าจะมีบทบาทที่สำคัญในด้านต่างๆ คือ นาโนอิเล็กทรอนิกส์ อุตสาหกรรมรถยนต์ นาโนเทคโนโลยีต่อพลังงาน สุขภาพและ วิทยาศาสตร์เกี่ยวกับชีวิต และสังคม
นาโนเทคโนโลยีผลิกโฉมวงการอิเล็กทรอนิกส์
นับตั้งแต่มีการพัฒนาทางด้านนาโนเทคโนโลยีโดยเฉพาะ ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ เรียกว่า นาโนอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้เกิดการพัฒนาของวงการอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ถึงแม้ว่าโดยพื้นฐานแล้วส่วนใหญ่อุตสาหกรรมในบ้านเราเป็นการรับจ้างผลิต โดยมิได้เป็นเจ้าของยี่ห้อสินค้าเอง แต่การพัฒนาความรู้ทางด้านนี้ยังคงมีความสำคัญอย่างยิ่งกับประเทศไทย เนื่องจากเป็นสาขาที่สามารถประยุกต์ใช้ได้หลากหลายอุตสาหกรรม
ดร.อดิสร เตือนตรานนท์ นักวิจัยจากศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (NECTEC) กล่าวถึงเรื่องของนาโนอิเล็กทรอนิกส์ว่า การปฏิวัติวงการอิเล็กทรอนิกส์ด้วยการเปลี่ยนแปลงวิธีการแบบเดิม คือ สร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์บน Solid State Semi- conductor ไปสู่การสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ด้วยโมเลกุล (Molecular Electronics) อิเล็กทรอนิกส์แบบใหม่นี้ จะต้องมีการทำงานในระดับโมเลกุลเลยทีเดียว และอุปกรณ์ แต่ละตัวจะเป็นแบบอิเล็กตรอนเดียว (Single Electron Devices)
การปฏิวัติดังกล่าวนี้คาดว่าจะเกิดขึ้นภายใน 10 ปีนี้เพื่อให้มีเทคโนโลยีใหม่เกิดขึ้นทดแทนก่อนอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์จะไปถึงจุดอับ จริงๆ แล้วการที่จะไปสู่ เป้าหมายดังกล่าวนั้นถือว่าเป็นวิสัยทัศน์ระยะยาวเลยทีเดียว เพราะว่ายังไม่มีใครรู้ว่ารูปแบบที่อิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุลสุดท้ายนั้นจะมีหน้าตาอย่างไร เหตุนี้ปัจจุบันจึงมีผู้เสนอ แนวทางแบบต่างๆ มากมาย
อุปกรณ์ที่เป็นระบบไฟฟ้าเครื่องกลจุลภาคจะมีขนาดจิ๋ว เพื่อการพาณิชย์
ในปัจจุบันเทคโนโลยีระบบไฟฟ้าเครื่องกลจุลภาคได้รับความสนใจและก้าวล้ำไปอย่างมากทั่วโลกเนื่องมาจากความต้องการอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็ก สมรรถนะสูง และ ราคาถูกในหลายๆ อุตสาหกรรม ผลพวงจากเทคโนโลยีการผลิตวงจรรวมที่พัฒนาและเติบโตอย่างต่อเนื่องตั้งแต่ช่วงปี ค.ศ. 1970 ทำให้การสร้างอุปกรณ์ทางกลที่มี ขนาดเล็กในระดับที่สามารถบรรจุอยู่ในชิปมาตรฐาน(Microchip) เป็นไปได้ในปัจจุบัน การสร้างอุปกรณ์ไฟฟ้าเครื่องกลจุลภาคอาศัยเทคนิคการปลูกสาร, การกัดกำจัด, และการสร้างรูปแบบโดยการใช้เทคนิคโฟโตลิโทรกราฟี่
ระบบไฟฟ้าเครื่องกลจุลภาคไม่เป็นเพียงแค่การทดลองวิจัยเท่านั้น แต่นำมาใช้ในการผลิตอุปกรณ์เชิงพาณิชย์มากมายหลายตัวอย่าง เช่น ในอุตสาหกรรมยานยนต์ มีอุปกรณ์วัดค่าความเร่ง ใช้ในรถยนต์ทุกคัน เพื่อควบคุมการปล่อยถุงลมนิรภัย, อุปกรณ์วัดความดันใช้ในเครื่องยนต์และยางล้อรถยนต์ ในระบบสื่อสารทางแสง มีอุปกรณ์สวิตช์ชิ่งเชิงแสง (Optical Switch), อุปกรณ์ เพิ่มและกำจัดสัญญาณแสง (Optical Add/Drop Multiplexer), อุปกรณ์เชื่อมต่อวงจรแสง (Optical Cross-Connect) และอุปกรณ์ปรับและลดทอนกำลัง ของแสง (Variable Optical Attenuator) ฯลฯ
คาดการณ์มูลค่าเศรษฐกิจปีนี้ 7 พันล้านเหรียญ
อุปกรณ์เชื่อมต่อวงจรแสง และอุปกรณ์สวิตช์ชิง เชิงแสง โดยใช้เทคโนโลยีระบบไฟฟ้าเครื่องกลจุลภาค (MEMS-based Optical Cross-Connect and Optical Switch) โดย Lucent Technologies ในทางการแพทย์ และสาธารณสุข มีอุปกรณ์วัดความดันเลือด, อุปกรณ์การวิเคราะห์สารและ DNA ฯลฯ ในอุตสาหกรรมโรงงานมีอุปกรณ์วัดการไหล, อุปกรณ์วัดอุณหภูมิ, อุปกรณ์วัด ความชื้น และอุปกรณ์วัดชนิดของแก๊ส ฯลฯ ซึ่งอุตสาหกรรมต่างๆ เหล่านี้ ล้วนแต่เป็นอุตสาหกรรมที่มีอยู่ในประเทศไทยทั้งสิ้น ดังนั้น การสนับสนุนให้มีการค้นคว้าวิจัยและพัฒนา งานวิจัยทางด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์จึงมี ความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะจะช่วยยกระดับความสามารถในการแข่งขันของประเทศ
นอกจากนี้ อุปกรณ์วัดความดันของไหลและอุปกรณ์วัดความชื้นเชิงพาณิชย์โดยใช้เทคโนโลยีระบบไฟฟ้า เครื่องกลจุลภาค อนาคตของเทคโนโลยีระบบไฟฟ้าเครื่องกลจุลภาค การพัฒนาเทคโนโลยีระบบไฟฟ้าเครื่องกล จุลภาคยังคงได้รับความสนใจอย่างสูงและต่อเนื่อง คาดว่าในปี ค.ศ. 2004 เทคโนโลยีระบบไฟฟ้าเครื่องกล จุลภาคจะมีมูลค่าทางเศรษฐกิจทั่วโลกสูงถึง 7 พันล้านเหรียญดอลลาร์สหรัฐฯ โดยที่ส่วนแบ่งทางการตลาด ของอุปกรณ์ระบบไฟฟ้าเครื่องกลจุลภาคสูงสุดเป็นอุปกรณ์ทางด้านเทคโนโลยีสารสนเทศ รองลงมาเป็นอุปกรณ์ ตรวจวัดทางอุตสาหกรรมและยานยนต์ต่างๆ
MEMS เทคโนโลยีแห่งอนาคต
ขณะนี้จะเห็นได้ว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ได้ถูกย่อขนาดให้เล็กลงไปเรื่อยๆ ทำให้เครื่องใช้และอุปกรณ์ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ มีขนาดเล็กลง ทำงานได้ รวดเร็วขึ้น มีประสิทธิภาพสูงขึ้น (แถมยังมีราคาถูกลงในบางกรณี) แนวโน้มนี้สังเกตเห็นได้ชัดเจนจากขนาด และสมรรถนะของคอมพิวเตอร์ในระยะหลายปีที่ผ่านมา ปัจจุบันมีการพูดถึงการย่อลงไปจนถึงระดับนาโน อิเล็กทรอนิกส์ (Nanoelectronics) กันแล้ว
สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำจากอิเล็กโทร เซรามิกส์ก็มีแนวโน้มที่จะย่อขนาดลงไปเช่นเดียวกัน เช่น ได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีการขึ้นรูปอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบหลายชั้น (Multilayer Technology) ซึ่งสามารถใช้ ขึ้นรูปอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ตัวเก็บประจุเซรามิกส์แบบหลายชั้นซึ่งทำจากสารไดอิเล็กทริกเซรามิกส์ และ แอคชูเอเตอร์ซึ่งทำจากสารเพียโซ อิเล็กทริกเซรามิกส์ เป็นต้น ทิศทางหนึ่งที่มีแนวโน้มว่าจะได้รับความสนใจ อย่างสูงคือ การจับคู่กันระหว่างไมโครอิเล็กทรอนิกส์ (Microelectronics) กับอุปกรณ์ไมโครแมคแคนิคัล (Micro Mechanical Devices) กลายเป็นระบบไมโครอิเล็กโทรแมคแคนิคัล (Micro-Electro Mechanical Systems : MEMS) นั่นคือ MEMS ซึ่งเปรียบเสมือน “สมองและเส้นประสาท” และ “แขนขา” ซึ่งจะต้องมีความ เชื่อมโยงกัน
ไทยยังช้ากว่าญี่ปุ่น 10 ปี ในการพัฒนา MEMS
เทคโนโลยีเมมส์ (MEMS) นั้นคือ รูปธรรมของอุปกรณ์ขนาดเล็กที่รวมระบบกลไกเข้ากับระบบวงจรรวมทางอิเล็กทรอนิกส์ โดยมักนิยมผลิตเป็น Sensor ขนาดเล็กหรือ Mini Sensor เช่น เซนเซอร์วัดแรงกระแทกขนาดเล็กในถุงลมนิรภัย ซึ่งทำให้ต้นทุนการผลิตชุดถุงลมนิรภัย มีราคาถูกลงกว่าการใช้เซนเซอร์สมัยก่อนมาก หรือ เซนเซอร์วัดแรงดัน เซนเซอร์วัดกำลังแม่เหล็ก แต่ปัจจุบันเมมส์ถูกนำมาใช้งานด้านอื่นๆ ด้วย เช่น ใช้เป็นวาล์ว ขนาดจิ๋ว กระจกสะท้อนจิ๋ว หรือชุดวิเคราะห์สารเคมี และที่สามารถพบเห็นได้ทั่วไป ก็คือ การนำเทคโนโลยีเมมส์มาใช้เป็นส่วนประกอบของอุปกรณ์ ฮาร์ดดิสก์ ซึ่งจะ เห็นว่า รุ่นใหม่ๆ นั้นมีขนาดเล็กลงมาก หรืออุปกรณ์ เครื่องพิมพ์หมึกพ่นที่มีความสามารถพ่นหมึกให้มี ขนาดเล็กมากๆ ช่วยให้ได้สีที่คมชัดขึ้น
ดร.อดิสร กล่าวว่า ถึงแม้ว่าการพัฒนาเรื่องของเมมส์ในเมืองไทยเพิ่งเริ่มต้นเมื่อไม่นานมานี้ หากเปรียบเทียบกับประเทศญี่ปุ่น ซึ่งเริ่มต้นมาไม่น้อยกว่า 10 ปีแล้ว แต่ปัจจุบันเราก็มี Concept และทิศทางในการทำงานวิจัยที่ค่อนข้างชัดเจน และเฉพาะเจาะจงลงไปเป็นผลิตภัณฑ์แต่ละชิ้น เลย และอุปกรณ์ต่างๆ ที่มีอยู่ก็จัดได้ว่ามีความทันสมัย
การใช้เทคโนโลยีเมมส์นี้ จะช่วยให้เราสามารถ สร้างผลิตภัณฑ์ได้มากขึ้น ราคาถูกลงและมีประสิทธิภาพในการทำงานมากขึ้น ซึ่งคงสรุปได้อย่างสั้นๆ ว่า เมมส์ เป็นเทคโนโลยีที่ผสมผสานความรู้และเทคโนโลยีจาก หลากหลายสาขา ทั้งทางด้านไฟฟ้า กลศาสตร์ วัสดุศาสตร์ การผลิตวงจรอิเล็กทรอนิกส์ โฟโตนิกส์ ฯลฯ ซึ่งจะเข้ามามีบทบาทมากขึ้นทั้งในปัจจุบันและอนาคต เช่น ทางด้านการแพทย์สาธารณสุข การสื่อสารโทรคมนาคม ฯลฯ
นำ Photonic technology ประยุกต์ร่วมสร้างผลิตภัณฑ์ ผลิตภัณฑ์ด้านอิเล็กทรอนิกส์ มักจะมีความเกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีสาขาหนึ่งอยู่เสมอ คือ Photonic Techno-logy เป็นเทคโนโลยีทางด้านแสงที่เกี่ยวข้องกับการสร้าง และการนำแสงมาใช้งาน ซึ่งจะเข้าไปมีส่วนเกี่ยวข้องกับ เรื่องของฮาร์ดแวร์ และอิเล็กทรอนิกส์ ดังจะเห็นได้ จากผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น โทรศัพท์มือถือ จอ LCD คอมพิวเตอร์ เป็นต้น ซึ่งล้วนแล้วแต่เป็นอุตสาหกรรม ที่ประเทศไทยกำลังมุ่งมั่นที่จะเข้าสู่การแข่งขันในตลาดโลก
ดร.ศรันย์ สัมฤทธิ์เดชขจร นักวิจัยจาก NECTEC กล่าวถึงงานวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับเทคโนโลยีทางด้านนี้ว่า ขณะนี้นักวิจัยไทย สามารถนำเอาเทคนิคเกี่ยวกับแสง มาสร้างเป็นเซลล์เล็กๆ ระดับน้อยกว่าหนึ่งไมครอนแล้ว เพื่อควบคุมการทำงานของแสงให้เป็นไปตามความต้องการ แต่ปัจจุบันนี้ บุคลากรที่มีความสามารถในเทคโนโลยี ทางแสงของประเทศไทยยังมีน้อยมาก ในขณะที่เทคโนโลยีสมัยใหม่ส่วนใหญ่มีการนำเทคโนโลยีแสงมาประยุกต์ใช้อย่างมากมาย เช่น เทคโนโลยีการสื่อสาร ที่ต้องอาศัย เรื่องของใยแก้วนำแสง และขณะนี้ ทีมนักวิจัยจาก เนคเทคก็กำลังทำการวิจัยเพื่อวิเคราะห์โพลิเมอร์เกี่ยวกับคุณสมบัติทางแสง เพื่อสร้างสารโพลิเมอร์ชนิดใหม่ที่มีคุณสมบัติที่ดีขึ้น พร้อมๆ กับการพัฒนางานด้าน อิเล็กทรอนิกส์ เพราะงานทางด้านแสงจะไม่สามารถ ออกมาเป็นผลิตภัณฑ์เพื่อการใช้งานได้โดยตรง กล่าวคือ ไม่สามารถทำงานได้ หากไม่มีตัวควบคุมทางด้าน อิเล็กทรอนิกส์
อีกทั้งขณะนี้ ดร.ศรันย์ ก็ได้จัดตั้งชมรมโฟโตนิกส์ ประเทศไทยขึ้น โดยประสานงานกับสมาคมเทคโนโลยี ทางด้านแสงกับหลายประเทศ และมีการจัดกิจกรรมต่างๆ เพื่อให้เยาวชนของไทยเห็นความสำคัญของเทคโนโลยี ทางด้านนี้ ซึ่งคาดว่าในอนาคตประเทศไทยน่าจะมี บุคลากรทางด้านนี้เพิ่มมากขึ้น
ประยุกต์นาโนเทคโนโลยีใช้กับการสร้างฟิล์มบางสารอินทรีย์
สำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องกับอิเล็ก ทรอนิกส์นั้น นอกเหนือไปจากจะต้องอาศัยเทคโนโลยี ทางด้านแสงแล้ว เรื่องของฟิล์มบางยังเป็นอีกหนึ่ง ส่วนประกอบสำคัญในผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น จอภาพ OLED (Organic Light Emitting Diode) ที่เป็นจอ แสดงผลเรืองแสงขนาดเล็กบนหน้าจอโทรศัพท์มือถือ ซึ่งฟิล์มบางชนิดโมเลกุลขนาดเล็กจากสารอินทรีย์ Alq3 บนสารกึ่งตัวนำผลึกขนาดนาโนเมตรนั้น จะช่วยให้อายุ การใช้งานของฟิล์มบางมีมากขึ้น ในอนาคตงานประยุกต์ เชิงอิเล็กทรอนิกส์ระดับนาโนเทคโนโลยี ต่อไปคงไม่ได้ อยู่บนผลึกซิลิคอนแบบเดิมๆ แล้ว หากแต่น่าจะพัฒนา เป็นอุปกรณ์โมเลกุล และ OLED ก็เป็นผลงานที่ออกสู่ เชิงพาณิชย์อยู่ในขณะนี้
ดร.จิติ หนูแก้ว อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ประยุกต์ คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยี พระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง กล่าวว่า OLED เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีราคาถูก สามารถทำบนแผ่นวัสดุที่ โค้งงอได้ อย่างพลาสติก และที่สำคัญคือ ไม่มีสารพิษ เป็นส่วนประกอบ เนื่องจากผลิตจากสารอินทรีย์ที่ย่อยสลายง่าย ถึงแม้ว่าอายุการใช้งานขณะนี้จะไม่ยาวนานเท่ากับซิลิคอน แต่ถ้าหากมองว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ มีอายุการใช้งานที่สั้น เนื่องจากเทคโนโลยีเปลี่ยนแปลง ค่อนข้างรวดเร็ว
ขณะนี้ ทีมนักวิจัยไทยสามารถยืดอายุการใช้งาน ของฟิล์มบาง โดยนำเทคโนโลยีระดับนาโนมาใช้ในการ สร้างโครงสร้างแบบบ่อควอนตัม (Quantum Well) ซึ่ง เมื่อใช้หลอดซีนอนที่มีพลังงานโฟตอนที่สูงกว่ากระตุ้น ก็จะทำให้ฟิล์มบางชนิดโมเลกุลเปล่งแสงจากช่วงความยาวคลื่นแสงสีแดงไปถึงความยาวคลื่นแสงสีฟ้าได้ ตอนนี้ ผลวิจัยทำให้ได้อายุการใช้งานที่ 10,000 ชั่วโมง และ คาดว่าภายใน 1-2 ปีนี้จะสามารถทำการพัฒนา ให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น เพื่อแข่งขันกับสินค้าจาก ต่างประเทศได้
นำเทคโนโลยีสร้างงานวิจัยแบบบูรณาการ
สิ่งสำคัญของการทำการวิจัยและพัฒนา ก็คือเครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ ซึ่งห้องวิจัย หลายแห่งในประเทศไทยยังคงมีความต้องการ ดังนั้น ในบางครั้งนักวิจัยจึงจำเป็นต้องทำการ วิจัยแบบเชื่อมโยงกันเพื่อแลกเปลี่ยนอุปกรณ์ ต่างๆ ที่มีร่วมกัน ตัวอย่างโครงการทำวิจัย เกี่ยวกับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเมมส์ในโครงการตรวจวัดสภาพแวดล้อมขนาดเล็ก โดยความร่วมมือของ NECTEC, TMEC, สถาบันการศึกษา และภาคเอกชน ได้ร่วมมือกัน จัดทำการวิจัย โดยมีการแบ่งการวิจัยออกเป็นส่วนต่างๆ ตามความเชี่ยวชาญและอุปกรณ์ที่หน่วยงาน ต่างๆ มีอยู่ เช่น มหาวิทยาลัยสุรนารี ทำการสร้างเซ็นเซอร์สำหรับวัดความชื้น NECTEC สร้างเซ็นเซอร์วัดปริมาณ แก๊ส บริษัท ซิลิกอน คราฟ จำกัด จัดทำวงจรประมวลผล และการส่งข้อมูล เป็นต้น
การทำวิจัยลักษณะข้างต้น ดร.อดิศร กล่าวว่า เป็นการขยายเครือข่ายในการทำงานวิจัย เพราะเครื่องมือที่ใช้ในการทำงานวิจัยทางด้านนี้มีค่อนข้างจำกัด และมี ราคาค่อนข้างสูง ในบ้านเรายังไม่สามารถที่จะมีเครื่องมือต่างๆ เหล่านี้ในทุกๆ มหาวิทยาลัยได้ การเข้ามาทำงานร่วมกัน ทั้งภาคเอกชน ภาครัฐ และภาคการศึกษา จะช่วยให้เกิดการออกแบบและกระบวนการสร้าง เพื่อออกมา เป็นอุปกรณ์หรือผลิตภัณฑ์ ได้รวดเร็วขึ้น
Dr.Don Eigler, IBM Almaden Research Center ร่วมกับศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ หรือ สวทช. จัดเรียงคาร์ลอนมอน็อกไซด์ (CO) จำนวน 50 โมเลกุล เขียนตัวอักษรลงบนผิวโลหะทองแดง (CU) เป็นพระปรมาภิไธยย่อ ภ.ป.ร. มีขนาดความยาว 14 นาโนเมตร สูง 7 นาโนเมตร ตัวอักษร ภ (17 โมเลกุล), ป (18 โมเลกุล) และ ร (15 โมเลกุล)
ความก้าวหน้าในโลกวิทยาการ ยังคงรุดหน้าอย่างไม่หยุดยั้ง แต่หากมองย้อนกลับไป ว่าความก้าวหน้า ดังกล่าวเกิดขึ้นก็มีสาเหตุมาจากความต้องการที่จะ ตอบสนองการพัฒนาผลิตภัณฑ์ ให้มีคุณภาพที่ดียิ่งขึ้น ของภาคอุตสาหกรรม ดังนั้นถึงแม้ว่าความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีจะก้าวไปอย่างไร ในทิศทางใดก็ตาม อุตสาหกรรมยังคงเป็นเสมือนล้ออีกด้านที่จะ ต้องขับเคลื่อนไปพร้อมๆ กัน ฉะนั้นนอกเหนือไปจากการสนับสนุนให้เกิดการวิจัยและพัฒนาทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแล้ว การสนับสนุนด้านอุตสาหกรรม และเศรษฐกิจ ก็ยังคงเป็นเรื่องที่ต้องให้ความสำคัญ ควบคู่กันไป
ที่มา :thai-inter
วันพุธที่ 23 พฤษภาคม พ.ศ. 2555
กระดูกเทียมนาโน
กระดูกที่สูญเสียไปสามารถทดแทนได้ด้วยกระดูกที่ตัดออกมาจากอวัยวะส่วนอื่นในร่างกาย กระดูกเทียมหรืออะไหล่สำรอง จึงจำเป็นอย่างยิ่ง
ในปัจจุบันการรักษาและซ่อมแซมกระดูกที่เกิดความบกพร่องเนื่องจากอุบัติเหตุ หรือการติดเชื้อยังเป็นปัญหาที่สำคัญอย่างมากในงานคลินิก
กระดูกที่สูญเสียไปสามารถทดแทนได้ด้วยกระดูกที่ตัดออกมาจากอวัยวะส่วนอื่นในร่างกายของผู้ป่วย (Autograft bone) หรือกระดูกที่ได้รับการบริจาคจากผู้อื่น (Allograft bone) และสามารถทดแทนได้ด้วยกระดูกสัตว์ เช่น กระดูกวัว (Xenograft bone)ในปัจจุบันเซรามิกหลายๆ ชนิดจึงถูกนำมาใช้ในงานคลินิกเพื่อใช้เป็นวัสดุฝังในร่างกาย
จากรายงานที่ผ่านมา พบว่า ในวงการแพทย์มีอัตราของความต้องการวัสดุทดแทนกระดูกที่เพิ่มสูงมากขึ้นเรื่อยๆในทุกๆ ปี จากการค้นคว้าที่ผ่านมา พบว่า วัสดุในกลุ่มแคลเซียมฟอสเฟต (Calcium phosphate based materials) โดยเฉพาะไฮดรอกซีอะพาไทต์ (Hydroxyapatite, HA) ที่มีส่วนประกอบคล้ายกับแร่ที่เป็นองค์ประกอบในกระดูกมนุษย์ มีความเหมาะสมอย่างมากในการนำมาเป็นวัสดุเพื่อใช้งานในร่างกายสิ่งมีชีวิต (Biomaterials)
ดังนั้นในงานวิจัยนี้จึงมีจุดประสงค์หลักคือ ทำการเตรียมผงไฮดรอกซีอะพาไทต์ (Ca10(PO4)6(OH)2) จากกระดูกวัวธรรมชาติให้มีระดับขนาดนาโน โดยวัสดุที่ใช้เป็นสารตั้งต้น สามารถหาได้ง่ายจากแหล่งผลิตภายในประเทศ และนำมาขึ้นรูปเป็นชิ้นงานเพื่อนำมาใช้งาน
จากนั้นนำมาทดสอบคุณสมบัติเชิงกล ทดสอบสมบัติต่างๆ โดยมีเป้าหมายว่าจะได้วัสดุทดแทนกระดูกมนุษย์ที่มีสมบัติใกล้เคียงกับกระดูกจริงของมนุษย์มากที่สุด และมีต้นทุนการผลิตต่ำ ซึ่งจะสามารถได้นวัตกรรมใหม่ในด้านวัสดุชีวการแพทย์
สิ่งที่ได้ดำเนินการไปแล้วคือ 1. สังเคราะห์ผงนาโนไฮดรอกซีอะพาไทต์ โดยวิธีการบดแบบสั่นจากกระดูกวัวธรรมชาติ 2. เตรียมเซรามิกโนไฮดรอกซีอะพาไทต์จากผงนาโนไฮดรอกซีอะพาไทต์ แล้วขึ้นรูปเป็นกระดุมเพื่อใช้ในการผ่าตัดยึดกระโหลกศีรษะ 3. เตรียมเซรามิกโนไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีความพรุนระดับนาโนจากผงนาโนไฮดรอกซีอะพาไทต์
ยื่นจดสิทธิบัตร 3 เรื่อง ผลงานเรื่องที่ 1 การประดิษฐ์นาโนเซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์ ผลงานเรื่องที่ 2 การประดิษฐ์กระดุมยึดตรึงกะโหลกศีรษะนาโนเซรามิก ผลงานเรื่องที่ 3 การประดิษฐ์เซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์แบบมีรูพรุนนาโน
สำหรับการประดิษฐ์ผงนาโนเซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์ เพื่อการประยุกต์ใช้เป็นวัสดุฝังในทางการแพทย์ โดยเตรียมด้วยกระบวนการใหม่ ซึ่งมีประสิทธิภาพที่สามารถทำให้ได้นาโนเซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีความแข็งแรงสูง ด้วยต้นทุนในการผลิตต่ำ ทำให้ผลิตออกจำหน่ายให้แก่โรงพยาบาลภายในประเทศและประเทศยากจนต่างๆ ในราคาถูกกว่าของต่างประเทศที่ใช้อยู่ในปัจจุบันอย่างมาก
ส่วนสิทธิบัตรผลงานที่ 2 ผงนาโนไฮดรอกซีอะพาไทต์ วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อประดิษฐ์กระดุมยึดตรึงกะโหลกศีรษะนาโนเซรามิกสำหรับใช้เป็นอุปกรณ์ในการยึดตรึงปิดกะโหลกศีรษะหลังการผ่าตัดเปิดกะโหลกด้วยวัสดุและเทคโนโลยีของประเทศไทย สามารถผลิตจำหน่ายแก่โรงพยาบาลต่างๆ ในประเทศที่มีแผนกศัลยกรรมประสาท เป็นการเพิ่มรายได้ให้คนไทยและลดรายจ่ายจากการซื้อของต่างประเทศที่มีราคาแพงมาก ซึ่งแสดงถึงการพึ่งพาตัวเองได้อย่างยั่งยืนตามแนวเศรษฐกิจพอเพียง
กระดุมยึดตรึงกะโหลกศีรษะนาโนเซรามิกตามการประดิษฐ์นี้เป็นนาโนชีวเซรามิก ไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่ออกแบบให้มีลักษณะเหมือนกระดุม ที่มีขนาดในมิติใดมิติหนึ่งของเกรนทุกเกรนเล็กกว่า 100 นาโนเมตร สำหรับใช้เป็นอุปกรณ์ในการยึดตรึงปิดกะโหลกศีรษะหลังการผ่าตัดเปิดกะโหลก
แต่ละชุดอุปกรณ์จะประกอบด้วยเม็ดกระดุมเซรามิกอย่างน้อย 2 เม็ด คือเม็ดด้านในและเม็ดด้านนอกศีรษะ ในการใช้งานทำได้โดยวางเม็ดกระดุมให้อยู่ในแนวขนานกับกะโหลกศีรษะแล้วร้อยด้ายเย็บแผลผ่านรูของเม็ดด้านในขึ้นมาผูกกับรูของเม็ดด้านนอกให้ตึง กะโหลกศีรษะที่ถูกเปิดจะถูกยึดแน่นกับกะโหลกโดยรอบ กระดุมยึดตรึงกะโหลกศีรษะนาโนเซรามิกตาม
การประดิษฐ์นี้มีความแข็งแรงไม่แตกหักได้โดยง่าย มีความสามารถในการตอบสนองทางชีวภาพระดับสูง สามารถเชื่อมต่อกับกระดูกรอบๆ ได้ดี และมีความสามารถในการเข้ากันได้เป็นอย่างดีกับเนื้อเยื่อทุกชนิดภายในร่างกายมนุษย์ ซึ่งแสดงถึง การยอมรับวัสดุฝังในจากผิวของเนื้อเยื่อ หมายถึง วัสดุไม่เป็นพิษ ไม่ทำให้เกิดการแพ้ ไม่เกิดปฏิกิริยาเคมีภายในร่างกาย และมีความเสถียรในร่างกายสิ่งมีชีวิต
สุดท้ายสิทธิบัตรชิ้นที่ 3 วัตถุประสงค์หลักเพื่อประดิษฐ์เซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์แบบมีรูพรุนนาโนสำหรับใช้’งานทางซีวการแพทย์ ด้วยวิธีการไม่ซับซ้อนทำให้ ซึ่งสามารถผลิตจำหน่ายแก่โรงพยาบาลต่างๆ ในประเทศ เป็นการเพิ่มรายได้ให้คนไทยและลดรายจ่ายจากการซื้อของต่างประเทศที่มีราคาแพงมาก
เซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์แบบมีรูพรุนนาโนตามการประดิษฐ์นี้เป็นชีวเซรามิก ไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีรูพรุนอย่างต่อเนื่องใน 3 มิติ ด้วยความพรุนเฉลี่ย 50 - 90% และมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของรูพรุนเฉลี่ยเล็กกว่า 100 นาโนเมตร แล้ว ยังมีความแข็งแรงสูง จึงมีศักยภาพสูงในการนำไปใช้ฝังในเพื่อรักษาโรคที่เกี่ยวข้องกับกระดูกบกพร่อง
ในปัจจุบันการรักษาและซ่อมแซมกระดูกที่เกิดความบกพร่องเนื่องจากอุบัติเหตุ หรือการติดเชื้อยังเป็นปัญหาที่สำคัญอย่างมากในงานคลินิก
กระดูกที่สูญเสียไปสามารถทดแทนได้ด้วยกระดูกที่ตัดออกมาจากอวัยวะส่วนอื่นในร่างกายของผู้ป่วย (Autograft bone) หรือกระดูกที่ได้รับการบริจาคจากผู้อื่น (Allograft bone) และสามารถทดแทนได้ด้วยกระดูกสัตว์ เช่น กระดูกวัว (Xenograft bone)ในปัจจุบันเซรามิกหลายๆ ชนิดจึงถูกนำมาใช้ในงานคลินิกเพื่อใช้เป็นวัสดุฝังในร่างกาย
จากรายงานที่ผ่านมา พบว่า ในวงการแพทย์มีอัตราของความต้องการวัสดุทดแทนกระดูกที่เพิ่มสูงมากขึ้นเรื่อยๆในทุกๆ ปี จากการค้นคว้าที่ผ่านมา พบว่า วัสดุในกลุ่มแคลเซียมฟอสเฟต (Calcium phosphate based materials) โดยเฉพาะไฮดรอกซีอะพาไทต์ (Hydroxyapatite, HA) ที่มีส่วนประกอบคล้ายกับแร่ที่เป็นองค์ประกอบในกระดูกมนุษย์ มีความเหมาะสมอย่างมากในการนำมาเป็นวัสดุเพื่อใช้งานในร่างกายสิ่งมีชีวิต (Biomaterials)
ดังนั้นในงานวิจัยนี้จึงมีจุดประสงค์หลักคือ ทำการเตรียมผงไฮดรอกซีอะพาไทต์ (Ca10(PO4)6(OH)2) จากกระดูกวัวธรรมชาติให้มีระดับขนาดนาโน โดยวัสดุที่ใช้เป็นสารตั้งต้น สามารถหาได้ง่ายจากแหล่งผลิตภายในประเทศ และนำมาขึ้นรูปเป็นชิ้นงานเพื่อนำมาใช้งาน
จากนั้นนำมาทดสอบคุณสมบัติเชิงกล ทดสอบสมบัติต่างๆ โดยมีเป้าหมายว่าจะได้วัสดุทดแทนกระดูกมนุษย์ที่มีสมบัติใกล้เคียงกับกระดูกจริงของมนุษย์มากที่สุด และมีต้นทุนการผลิตต่ำ ซึ่งจะสามารถได้นวัตกรรมใหม่ในด้านวัสดุชีวการแพทย์
สิ่งที่ได้ดำเนินการไปแล้วคือ 1. สังเคราะห์ผงนาโนไฮดรอกซีอะพาไทต์ โดยวิธีการบดแบบสั่นจากกระดูกวัวธรรมชาติ 2. เตรียมเซรามิกโนไฮดรอกซีอะพาไทต์จากผงนาโนไฮดรอกซีอะพาไทต์ แล้วขึ้นรูปเป็นกระดุมเพื่อใช้ในการผ่าตัดยึดกระโหลกศีรษะ 3. เตรียมเซรามิกโนไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีความพรุนระดับนาโนจากผงนาโนไฮดรอกซีอะพาไทต์
ยื่นจดสิทธิบัตร 3 เรื่อง ผลงานเรื่องที่ 1 การประดิษฐ์นาโนเซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์ ผลงานเรื่องที่ 2 การประดิษฐ์กระดุมยึดตรึงกะโหลกศีรษะนาโนเซรามิก ผลงานเรื่องที่ 3 การประดิษฐ์เซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์แบบมีรูพรุนนาโน
สำหรับการประดิษฐ์ผงนาโนเซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์ เพื่อการประยุกต์ใช้เป็นวัสดุฝังในทางการแพทย์ โดยเตรียมด้วยกระบวนการใหม่ ซึ่งมีประสิทธิภาพที่สามารถทำให้ได้นาโนเซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีความแข็งแรงสูง ด้วยต้นทุนในการผลิตต่ำ ทำให้ผลิตออกจำหน่ายให้แก่โรงพยาบาลภายในประเทศและประเทศยากจนต่างๆ ในราคาถูกกว่าของต่างประเทศที่ใช้อยู่ในปัจจุบันอย่างมาก
ส่วนสิทธิบัตรผลงานที่ 2 ผงนาโนไฮดรอกซีอะพาไทต์ วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อประดิษฐ์กระดุมยึดตรึงกะโหลกศีรษะนาโนเซรามิกสำหรับใช้เป็นอุปกรณ์ในการยึดตรึงปิดกะโหลกศีรษะหลังการผ่าตัดเปิดกะโหลกด้วยวัสดุและเทคโนโลยีของประเทศไทย สามารถผลิตจำหน่ายแก่โรงพยาบาลต่างๆ ในประเทศที่มีแผนกศัลยกรรมประสาท เป็นการเพิ่มรายได้ให้คนไทยและลดรายจ่ายจากการซื้อของต่างประเทศที่มีราคาแพงมาก ซึ่งแสดงถึงการพึ่งพาตัวเองได้อย่างยั่งยืนตามแนวเศรษฐกิจพอเพียง
กระดุมยึดตรึงกะโหลกศีรษะนาโนเซรามิกตามการประดิษฐ์นี้เป็นนาโนชีวเซรามิก ไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่ออกแบบให้มีลักษณะเหมือนกระดุม ที่มีขนาดในมิติใดมิติหนึ่งของเกรนทุกเกรนเล็กกว่า 100 นาโนเมตร สำหรับใช้เป็นอุปกรณ์ในการยึดตรึงปิดกะโหลกศีรษะหลังการผ่าตัดเปิดกะโหลก
แต่ละชุดอุปกรณ์จะประกอบด้วยเม็ดกระดุมเซรามิกอย่างน้อย 2 เม็ด คือเม็ดด้านในและเม็ดด้านนอกศีรษะ ในการใช้งานทำได้โดยวางเม็ดกระดุมให้อยู่ในแนวขนานกับกะโหลกศีรษะแล้วร้อยด้ายเย็บแผลผ่านรูของเม็ดด้านในขึ้นมาผูกกับรูของเม็ดด้านนอกให้ตึง กะโหลกศีรษะที่ถูกเปิดจะถูกยึดแน่นกับกะโหลกโดยรอบ กระดุมยึดตรึงกะโหลกศีรษะนาโนเซรามิกตาม
การประดิษฐ์นี้มีความแข็งแรงไม่แตกหักได้โดยง่าย มีความสามารถในการตอบสนองทางชีวภาพระดับสูง สามารถเชื่อมต่อกับกระดูกรอบๆ ได้ดี และมีความสามารถในการเข้ากันได้เป็นอย่างดีกับเนื้อเยื่อทุกชนิดภายในร่างกายมนุษย์ ซึ่งแสดงถึง การยอมรับวัสดุฝังในจากผิวของเนื้อเยื่อ หมายถึง วัสดุไม่เป็นพิษ ไม่ทำให้เกิดการแพ้ ไม่เกิดปฏิกิริยาเคมีภายในร่างกาย และมีความเสถียรในร่างกายสิ่งมีชีวิต
สุดท้ายสิทธิบัตรชิ้นที่ 3 วัตถุประสงค์หลักเพื่อประดิษฐ์เซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์แบบมีรูพรุนนาโนสำหรับใช้’งานทางซีวการแพทย์ ด้วยวิธีการไม่ซับซ้อนทำให้ ซึ่งสามารถผลิตจำหน่ายแก่โรงพยาบาลต่างๆ ในประเทศ เป็นการเพิ่มรายได้ให้คนไทยและลดรายจ่ายจากการซื้อของต่างประเทศที่มีราคาแพงมาก
เซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์แบบมีรูพรุนนาโนตามการประดิษฐ์นี้เป็นชีวเซรามิก ไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีรูพรุนอย่างต่อเนื่องใน 3 มิติ ด้วยความพรุนเฉลี่ย 50 - 90% และมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของรูพรุนเฉลี่ยเล็กกว่า 100 นาโนเมตร แล้ว ยังมีความแข็งแรงสูง จึงมีศักยภาพสูงในการนำไปใช้ฝังในเพื่อรักษาโรคที่เกี่ยวข้องกับกระดูกบกพร่อง
แผ่นแกรฟีนยับยั้งแบคทีเรีย E. coli
นักวิทยาศาสตร์พบว่าแผ่นแกรฟีน สามารถนำมาทำเป็นกระดาษต้านแบคทีเรียได้ จากการศึกษาล่าสุดของ Chinese Academy of Sciences เมืองเซียงไฮ้ ประเทศจีน พบว่า โครงสร้างสองมิติของแผ่นแกรฟีนมีสมบัติในการยับยั้งการเจริญเติบโตของแบ คทเรีย E. coli โดยที่ไม่ส่งผลต่อเซลล์ของมนุษย์
ภาพการยับยั้งแบคทีเรีย E. coli ของแผ่นแกรฟีน โดยภาพทางด้านซ้ายคือเซลล์ E. coli ปกติ และภาพทางด้านขวา คือเซลล์ E. coli ที่แตกออก เมื่อสัมผัสกับแผ่นแกรฟีน ออกไซด์ ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง
ภาพการยับยั้งแบคทีเรีย E. coli ของแผ่นแกรฟีน โดยภาพทางด้านซ้ายคือเซลล์ E. coli ปกติ และภาพทางด้านขวา คือเซลล์ E. coli ที่แตกออก เมื่อสัมผัสกับแผ่นแกรฟีน ออกไซด์ ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง
แผ่นแกรฟีน ประกอบด้วยอะตอมของธาตุคาร์บอนที่จัดเรียงกันแบบรูปรังผึ้งเพียงชั้นเดียว ซึ่งจัดอยู่ในวัสดุนาโนกลุ่ม 1 มิติ คือมีความหนาในระดับนาโนเมตร แต่มีความกว้าง และความยาวได้ไม่จำกัด ลักษณะคล้ายแผ่นฟิลม์ แผ่นแกรฟีนแบบชั้นเดียวนี้ถูกสร้างขึ้นครั้งแรก ในปี 2004 ซึ่งมีลักษณะพิเศษเชิงอิเล็กทรอนิกส์ และเชิงกล ที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์แปลกใจ ซึ่งอาจสามารถนำมาใช้ประโยชน์ทางด้านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ หรือแม้กระทั่งทดแทน ซิลิคอน และเป็นวัสดุทางเลือกเกี่ยวกับ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต
ตอนนี้ นักวิจัยจากประเทศจีน Chunhai และเพื่อนร่วมงาน ได้ค้นพบสมบัติเพิ่มเติมของแผ่นแกรฟีน โดยพบว่า อนุพันธ์ของแกรฟีน เช่น แกรฟีนออกไซด์ และส่วนประกอบของแกรฟีนออกไซด์ สามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียได้ ซึ่งเป็นการค้นพบที่มีความสำคัญ เนื่องจากการศึกษาก่อนหน้านี้พบว่าแกรฟีน และแกรฟีนออกไซด์นั้นมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพกับเซลล์ และเซลล์สามารถเจริญเติบโตได้ดีบนแผ่นแกรฟีน ซึ่งอนุภาคนาโนชนิดอื่น ๆ เช่น อนุภาคเงินซึ่งมีสมบัติในการต้านแบคทีเรียนั้น บางครั้งพบว่าเป็นพิษต่อเซลล์ในห้องทดลอง
ทีมวิจัยได้สร้างแผ่นแกรฟีน โดยเบื้องต้นคือสังเคราะห์แกรฟีนออกไซด์ และส่วนประกอบของแกรฟีนออกไซด์ ในน้ำ จากนั้นนำของแหลวที่ได้ไปกรองผ่านกระดาษภายใต้สภาพสูญญากาศ แผ่นแกรฟีนออกไซด์ และส่วนประกอบของแกรฟีนออกไซด์จะติดอยู่บนกระดาษกรองและสามารถลอกออกมาได้
การทำลาย แบคทีเรีย E. coil
ภาพจากกล้องอิเล็กทรอแบบส่องผ่านแสดงให้เห็นว่า เยื่อหุ้มเซลล์ของ แบคทีเรีย E. Coli ที่สัมผัสกับแผ่นแกรฟีนนั้นถูกทำลาย และจากรายงานการวิจัย ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากแกรฟีน ได้เข้าไปในส่วนของ เอนโดโซม ภายในไซโตพลาสซึมของเซลล์ และดันให้ของแหลวในเซลล์ไหลออกมา จากผลการทดลองพบว่า 99% ของเซลล์ ถูกทำลายหลังจากที่สัมผัสกับของเหลวที่มีแกรฟินออกไซด์ ความเข้มข้น 85 กรัม ต่อมิลลิลิตร ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ในทางตรงกันข้าม แผ่นนาโนแกรฟีนนี้ ไม่เป็นพิษต่อเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมภายใต้สภาวะเดียวกัน
ทีมวิจัยยังได้ขยายผลการศึกษาต่อไปว่า ทำไมแกรฟีนออกไซด์ สามารถทำลายแบคทีเรียได้ และทำได้อย่างไร ทีมวิจัยหวังว่าจะสามารถพัฒนาวัสดุใหม่ในการต้านแบคทีเรียจากแกรฟีน ซึ่งสามารถนำมาประยุกต์ใช้โดยตรงได้บนผิวหนัง และในผ้าพันแผล อย่างไรก็ตามการผลิตวัสดุนาโนประเภทแกรฟีนจำนวนมาก และการสร้าง กระดาษแกรฟีนในระดับมหภาคยังเป็นเรื่องที่ท้าทาย และยังต้องศึกษาเพิ่มเติมต่อไป
แหล่งที่มาของข้อมูล
-http://nanotechweb.org
-http://www.thai-nano.com
ภาพการยับยั้งแบคทีเรีย E. coli ของแผ่นแกรฟีน โดยภาพทางด้านซ้ายคือเซลล์ E. coli ปกติ และภาพทางด้านขวา คือเซลล์ E. coli ที่แตกออก เมื่อสัมผัสกับแผ่นแกรฟีน ออกไซด์ ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง
ภาพการยับยั้งแบคทีเรีย E. coli ของแผ่นแกรฟีน โดยภาพทางด้านซ้ายคือเซลล์ E. coli ปกติ และภาพทางด้านขวา คือเซลล์ E. coli ที่แตกออก เมื่อสัมผัสกับแผ่นแกรฟีน ออกไซด์ ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง
แผ่นแกรฟีน ประกอบด้วยอะตอมของธาตุคาร์บอนที่จัดเรียงกันแบบรูปรังผึ้งเพียงชั้นเดียว ซึ่งจัดอยู่ในวัสดุนาโนกลุ่ม 1 มิติ คือมีความหนาในระดับนาโนเมตร แต่มีความกว้าง และความยาวได้ไม่จำกัด ลักษณะคล้ายแผ่นฟิลม์ แผ่นแกรฟีนแบบชั้นเดียวนี้ถูกสร้างขึ้นครั้งแรก ในปี 2004 ซึ่งมีลักษณะพิเศษเชิงอิเล็กทรอนิกส์ และเชิงกล ที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์แปลกใจ ซึ่งอาจสามารถนำมาใช้ประโยชน์ทางด้านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ หรือแม้กระทั่งทดแทน ซิลิคอน และเป็นวัสดุทางเลือกเกี่ยวกับ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต
ตอนนี้ นักวิจัยจากประเทศจีน Chunhai และเพื่อนร่วมงาน ได้ค้นพบสมบัติเพิ่มเติมของแผ่นแกรฟีน โดยพบว่า อนุพันธ์ของแกรฟีน เช่น แกรฟีนออกไซด์ และส่วนประกอบของแกรฟีนออกไซด์ สามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียได้ ซึ่งเป็นการค้นพบที่มีความสำคัญ เนื่องจากการศึกษาก่อนหน้านี้พบว่าแกรฟีน และแกรฟีนออกไซด์นั้นมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพกับเซลล์ และเซลล์สามารถเจริญเติบโตได้ดีบนแผ่นแกรฟีน ซึ่งอนุภาคนาโนชนิดอื่น ๆ เช่น อนุภาคเงินซึ่งมีสมบัติในการต้านแบคทีเรียนั้น บางครั้งพบว่าเป็นพิษต่อเซลล์ในห้องทดลอง
ทีมวิจัยได้สร้างแผ่นแกรฟีน โดยเบื้องต้นคือสังเคราะห์แกรฟีนออกไซด์ และส่วนประกอบของแกรฟีนออกไซด์ ในน้ำ จากนั้นนำของแหลวที่ได้ไปกรองผ่านกระดาษภายใต้สภาพสูญญากาศ แผ่นแกรฟีนออกไซด์ และส่วนประกอบของแกรฟีนออกไซด์จะติดอยู่บนกระดาษกรองและสามารถลอกออกมาได้
การทำลาย แบคทีเรีย E. coil
ภาพจากกล้องอิเล็กทรอแบบส่องผ่านแสดงให้เห็นว่า เยื่อหุ้มเซลล์ของ แบคทีเรีย E. Coli ที่สัมผัสกับแผ่นแกรฟีนนั้นถูกทำลาย และจากรายงานการวิจัย ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากแกรฟีน ได้เข้าไปในส่วนของ เอนโดโซม ภายในไซโตพลาสซึมของเซลล์ และดันให้ของแหลวในเซลล์ไหลออกมา จากผลการทดลองพบว่า 99% ของเซลล์ ถูกทำลายหลังจากที่สัมผัสกับของเหลวที่มีแกรฟินออกไซด์ ความเข้มข้น 85 กรัม ต่อมิลลิลิตร ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ในทางตรงกันข้าม แผ่นนาโนแกรฟีนนี้ ไม่เป็นพิษต่อเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมภายใต้สภาวะเดียวกัน
ทีมวิจัยยังได้ขยายผลการศึกษาต่อไปว่า ทำไมแกรฟีนออกไซด์ สามารถทำลายแบคทีเรียได้ และทำได้อย่างไร ทีมวิจัยหวังว่าจะสามารถพัฒนาวัสดุใหม่ในการต้านแบคทีเรียจากแกรฟีน ซึ่งสามารถนำมาประยุกต์ใช้โดยตรงได้บนผิวหนัง และในผ้าพันแผล อย่างไรก็ตามการผลิตวัสดุนาโนประเภทแกรฟีนจำนวนมาก และการสร้าง กระดาษแกรฟีนในระดับมหภาคยังเป็นเรื่องที่ท้าทาย และยังต้องศึกษาเพิ่มเติมต่อไป
แหล่งที่มาของข้อมูล
-http://nanotechweb.org
-http://www.thai-nano.com
ผลิตภัณฑ์จากวัสดุนาโนในอนาคต
ผลิตภัณฑ์จากวัสดุนาโนในอนาคต
หน้า 4 จาก 4
เซ็นเซอร์ที่มีความไวสูง
เซ็นเซอร์เป็นอุปกรณ์ที่มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรหลายชนิด เช่น ความต้านทานทางไฟฟ้า ปฏิกิริยาเคมี ความสามารถในการแผ่ซ่านของอำนาจแม่เหล็ก การนำความร้อน และความจุไฟฟ้า เซนเซอร์ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมต่างๆ ได้โดยอาศัยลักษณะทางกล กายภาพ หรือเคมีของวัสดุที่ใช้ทำเซ็นเซอร์ ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ที่ทำจากเซอร์โคเนียมออกไซด์หรือเซอร์โคเนีย อาศัยความเสถียรทางเคมีเพื่อตรวจจับโมเลกุลของแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ เมื่อโมเลกุลของแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์มากระทบกับเซอร์โคเนีย อะตอมของออกซิเจนในเซอร์โคเนียมออกไซด์จะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนในคาร์บอนมอนอกไซด์ เป็นผลให้เซอร์โคเนียมออกไซด์ลดลงไปบางส่วน ปฏิกิริยานี้จะกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงของเซ็นเซอร์ เช่น การนำหรือความต้านทานไฟฟ้า และความจุไฟฟ้า ซึ่งอัตราเร็วและขอบเขตของปฏิกิริยานี้จะเพิ่มขึ้นอย่างมากด้วยการลดขนาดเกรนของวัสดุที่ใช้ทำเซนเซอร์ ดังนั้น เซ็นเซอร์ที่ทำจากวัสดุที่มีผลึกระดับนาโนย่อมมีความไวอย่างยิ่งยวดต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อม ตัวอย่างของเซ็นเซอร์ที่ทำจากวัสดุนาโน ได้แก่ ตัวตรวจจับควัน ตัวตรวจจับน้ำแข็งบนปีกเครื่องบิน เซ็นเซอร์วัดประสิทธิภาพเครื่องยนต์ เป็นต้น
ยานยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก
วัสดุนาโนที่มีความแข็ง ทนทาน ทนทานต่อการสึกหรอและการกัดกร่อน ได้รับความสนใจในการนำมาทำหัวเทียนในเครื่องยนต์ซึ่งมีขั้วอิเล็กโทรด (electrode) ที่มีอายุการใช้งานยาวนาน ทำให้การเผาไหม้เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพและสมบูรณ์มากยิ่งขึ้น หัวเทียนแบบใหม่ที่เรียกว่า ‘railplug’ นี้ กำลังอยู่ในขั้นการทำต้นแบบ railplug ใช้เทคโนโลยีที่มาจาก railgun ซึ่งเป็นผลผลิตของโครงการสตาร์วอร์ (Star War) ที่โด่งดัง แต่อย่างไรก็ตาม railplug จะทำให้เกิดการจุดระเบิด (spark) ที่มีกำลังมากกว่ามากๆ (ด้วยความหนาแน่นพลังงานอยู่ที่ 1 กิโลจูลต่อตารางมิลลิเมตร) และเนื่องจากว่า รถยนต์มักสูญเสียพลังงานในรูปความร้อนของเครื่องยนต์ที่ปล่อยออกมาโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเครื่องยนต์ดีเซล ดังนั้น การเคลือบกระบอกสูบเครื่องยนต์ด้วยวัสดุเซรามิกที่มีผลึกระดับนาโน เช่น เซอร์โคเนียและอะลูมินา จะช่วยรักษาความร้อนไว้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เป็นผลให้มีการเผาไหม้เชื้อเพลิงเกิดขึ้นได้อย่างสมบูรณ์
ดาวเทียมที่มีอายุการใช้งานยาวนาน
ดาวเทียมถูกใช้ในงานด้านการป้องกันภัยทางทหารและกิจการของพลเรือน ดาวเทียมเหล่านี้ใช้ระบบกระสวยขับดันเพื่อให้ลอยอยู่หรือเปลี่ยนวงโคจรได้ในสภาวะปัจจัยหลายอย่างรวมถึงอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของโลก อายุการใช้งานของดาวเทียมถูกกำหนดจากปริมาณเชื้อเพลิงที่มันสามารถบรรทุกขึ้นไปด้วยได้ ซึ่งเชื้อเพลิงมากกว่า 1 ใน 3 จะสูญเสียไปกับการที่กระสวยเปลี่ยนตำแหน่งจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง เช่น ไฮดราซีน (hydrazine) ที่ไม่สมบูรณ์และไม่มีประสิทธิภาพ ซึ่งมีสาเหตุจากตัวจุดระเบิด (ignitors) เกิดการสึกหรออย่างรวดเร็ว ในอนาคต มีความเป็นไปได้ที่จะนำวัสดุนาโน เช่น คอมโพสิตชนิดทังสเตน-ไททาเนียม ไดอะบอไรด์-คอปเปอร์ มาใช้เป็นวัสดุสำหรับตัวจุดระเบิดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน
ชิ้นส่วนอากาศยานที่มีสมรรถนะดีขึ้น
บริษัทผู้ผลิตเครื่องบินพยายามที่จะทำชิ้นส่วนของเครื่องบินให้มีความแข็งแกร่ง ทนทาน และมีอายุการใช้งานยาวนาน สมบัติสำคัญข้อหนึ่งที่จำเป็นต่อการผลิตชิ้นส่วนเครื่องบิน คือ ความทนทานต่อความล้า (fatigue strength) ซึ่งจะลดลงเมื่ออายุการใช้งานมากขึ้น แต่ค่าความทนทานต่อความล้านี้สามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยการลดขนาดเกรนของวัสดุที่ใช้ทำชิ้นส่วนเครื่องบิน หากใช้วัสดุนาโนซึ่งมีขนาดของเกรนเล็กมากๆ จะทำให้ความทนทานต่อความล้ามีค่ามากกกว่าวัสดุเดิมถึง 200-300 % ยิ่งไปกว่านั้นชิ้นส่วนที่ทำจากวัสดุนาโนยังมีความแข็งแรงและสามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูง ส่งผลให้เครื่องบินสามารถบินได้เร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงที่ดีกว่า สำหรับในยานอวกาศ ความแข็งแรงของวัสดุที่อุณหภูมิสูงเป็นเรื่องที่สำคัญมากเพราะชิ้นส่วน เช่น เครื่องยนต์ของกระสวย ส่วนขับดัน และหัวจรวด ต้องใช้งานที่อุณหภูมิสูงมากกว่าเครื่องบินเป็นอย่างมากและยังต้องใช้ความเร็วสูงมากด้วย วัสดุนาโนจึงเป็นวัสดุชั้นยอดทีเดียวที่จะนำมาใช้เป็นวัสดุสำหรับอากาศยาน
Airbus A380 เครื่องบินโดยสารขนาดใหญ่ในอนาคต ถูกพัฒนาขึ้นบนพื้นฐานเทคโนโลยีระดับสูงหลายๆด้าน รวมถึงเทคโนโลยีด้านวัสดุด้วย
วัสดุเทียมที่มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน
ปัจจุบัน วัสดุเทียมที่ฝังในร่างกาย เช่น วัสดุทางออโธปิดิกส์ทดแทนกระดูก และลิ้นหัวใจเทียม มักทำมาจากวัสดุผสมไททาเนียมและเหล็กกล้าไร้สนิม วัสดุผสมนี้ถูกใช้ในร่างกายมนุษย์เพราะมีความเข้ากันได้กับเนื้อเยื่อ กล่าวคือ ไม่มีปฏิกิริยาต่อต้านเนื้อเยื่อ แต่วัสดุเหล่านี้มักไม่มีรูพรุน ซึ่งวัสดุที่เลียนแบบกระดูกตามธรรมชาติของมนุษย์ได้อย่างแท้จริงนั้น เนื้อเยื่อของร่างกายโดยรอบจะต้องสามารถแทรกซึมเข้าไปในวัสดุได้ เพื่อให้วัสดุมีความแข็งแรง แต่เนื่องจากวัสดุผสมนี้ไม่ยอมให้เนื้อเยื่อซึมผ่านไปได้ และมีการสึกกร่อนอย่างรวดเร็ว บ่อยครั้งที่ต้องเสียค่าใช้จ่ายสูงในการผ่าตัดเปลี่ยน อย่างไรก็ตาม ได้มีการใช้วัสดุเซรามิกเซอร์โคเนีย (เซอร์โคเนียมออกไซด์) ผลึกนาโนที่มีความแข็ง ทนทานการสึกหรอ ทนการกัดกร่อนของของเหลวในร่างกาย มีความเข้ากันได้กับเนื้อเยื่อในร่างกาย และยังสามารถทำให้มีรูพรุนในรูปของแอโรเจลได้โดยใช้วิธีสังเคราะห์ด้วยเทคนิคโซล-เจล ซึ่งเป็นผลทำให้สามารถผลิตวัสดุฝังในที่ต้องผ่าตัดเปลี่ยนน้อยครั้งกว่าเดิมมาก ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการผ่าตัดลง นอกจากนั้น วัสดุนาโนจากซิลิคอนคาร์ไบด์ก็เป็นอีกวัสดุหนึ่งที่ใช้ทำลิ้นหัวใจเทียม เพราะมีน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูงมาก มีความแข็งที่เป็นเลิศ ทนทานต่อการสึกกร่อน มีความคงทน ไม่ทำปฏิกิริยากับของเหลวในร่างกาย และทนทานต่อการกัดกร่อน
หน้า 4 จาก 4
เซ็นเซอร์ที่มีความไวสูง
เซ็นเซอร์เป็นอุปกรณ์ที่มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรหลายชนิด เช่น ความต้านทานทางไฟฟ้า ปฏิกิริยาเคมี ความสามารถในการแผ่ซ่านของอำนาจแม่เหล็ก การนำความร้อน และความจุไฟฟ้า เซนเซอร์ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมต่างๆ ได้โดยอาศัยลักษณะทางกล กายภาพ หรือเคมีของวัสดุที่ใช้ทำเซ็นเซอร์ ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ที่ทำจากเซอร์โคเนียมออกไซด์หรือเซอร์โคเนีย อาศัยความเสถียรทางเคมีเพื่อตรวจจับโมเลกุลของแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ เมื่อโมเลกุลของแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์มากระทบกับเซอร์โคเนีย อะตอมของออกซิเจนในเซอร์โคเนียมออกไซด์จะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนในคาร์บอนมอนอกไซด์ เป็นผลให้เซอร์โคเนียมออกไซด์ลดลงไปบางส่วน ปฏิกิริยานี้จะกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงของเซ็นเซอร์ เช่น การนำหรือความต้านทานไฟฟ้า และความจุไฟฟ้า ซึ่งอัตราเร็วและขอบเขตของปฏิกิริยานี้จะเพิ่มขึ้นอย่างมากด้วยการลดขนาดเกรนของวัสดุที่ใช้ทำเซนเซอร์ ดังนั้น เซ็นเซอร์ที่ทำจากวัสดุที่มีผลึกระดับนาโนย่อมมีความไวอย่างยิ่งยวดต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อม ตัวอย่างของเซ็นเซอร์ที่ทำจากวัสดุนาโน ได้แก่ ตัวตรวจจับควัน ตัวตรวจจับน้ำแข็งบนปีกเครื่องบิน เซ็นเซอร์วัดประสิทธิภาพเครื่องยนต์ เป็นต้น
ยานยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก
วัสดุนาโนที่มีความแข็ง ทนทาน ทนทานต่อการสึกหรอและการกัดกร่อน ได้รับความสนใจในการนำมาทำหัวเทียนในเครื่องยนต์ซึ่งมีขั้วอิเล็กโทรด (electrode) ที่มีอายุการใช้งานยาวนาน ทำให้การเผาไหม้เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพและสมบูรณ์มากยิ่งขึ้น หัวเทียนแบบใหม่ที่เรียกว่า ‘railplug’ นี้ กำลังอยู่ในขั้นการทำต้นแบบ railplug ใช้เทคโนโลยีที่มาจาก railgun ซึ่งเป็นผลผลิตของโครงการสตาร์วอร์ (Star War) ที่โด่งดัง แต่อย่างไรก็ตาม railplug จะทำให้เกิดการจุดระเบิด (spark) ที่มีกำลังมากกว่ามากๆ (ด้วยความหนาแน่นพลังงานอยู่ที่ 1 กิโลจูลต่อตารางมิลลิเมตร) และเนื่องจากว่า รถยนต์มักสูญเสียพลังงานในรูปความร้อนของเครื่องยนต์ที่ปล่อยออกมาโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเครื่องยนต์ดีเซล ดังนั้น การเคลือบกระบอกสูบเครื่องยนต์ด้วยวัสดุเซรามิกที่มีผลึกระดับนาโน เช่น เซอร์โคเนียและอะลูมินา จะช่วยรักษาความร้อนไว้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เป็นผลให้มีการเผาไหม้เชื้อเพลิงเกิดขึ้นได้อย่างสมบูรณ์
ดาวเทียมที่มีอายุการใช้งานยาวนาน
ดาวเทียมถูกใช้ในงานด้านการป้องกันภัยทางทหารและกิจการของพลเรือน ดาวเทียมเหล่านี้ใช้ระบบกระสวยขับดันเพื่อให้ลอยอยู่หรือเปลี่ยนวงโคจรได้ในสภาวะปัจจัยหลายอย่างรวมถึงอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของโลก อายุการใช้งานของดาวเทียมถูกกำหนดจากปริมาณเชื้อเพลิงที่มันสามารถบรรทุกขึ้นไปด้วยได้ ซึ่งเชื้อเพลิงมากกว่า 1 ใน 3 จะสูญเสียไปกับการที่กระสวยเปลี่ยนตำแหน่งจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง เช่น ไฮดราซีน (hydrazine) ที่ไม่สมบูรณ์และไม่มีประสิทธิภาพ ซึ่งมีสาเหตุจากตัวจุดระเบิด (ignitors) เกิดการสึกหรออย่างรวดเร็ว ในอนาคต มีความเป็นไปได้ที่จะนำวัสดุนาโน เช่น คอมโพสิตชนิดทังสเตน-ไททาเนียม ไดอะบอไรด์-คอปเปอร์ มาใช้เป็นวัสดุสำหรับตัวจุดระเบิดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน
ชิ้นส่วนอากาศยานที่มีสมรรถนะดีขึ้น
บริษัทผู้ผลิตเครื่องบินพยายามที่จะทำชิ้นส่วนของเครื่องบินให้มีความแข็งแกร่ง ทนทาน และมีอายุการใช้งานยาวนาน สมบัติสำคัญข้อหนึ่งที่จำเป็นต่อการผลิตชิ้นส่วนเครื่องบิน คือ ความทนทานต่อความล้า (fatigue strength) ซึ่งจะลดลงเมื่ออายุการใช้งานมากขึ้น แต่ค่าความทนทานต่อความล้านี้สามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยการลดขนาดเกรนของวัสดุที่ใช้ทำชิ้นส่วนเครื่องบิน หากใช้วัสดุนาโนซึ่งมีขนาดของเกรนเล็กมากๆ จะทำให้ความทนทานต่อความล้ามีค่ามากกกว่าวัสดุเดิมถึง 200-300 % ยิ่งไปกว่านั้นชิ้นส่วนที่ทำจากวัสดุนาโนยังมีความแข็งแรงและสามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูง ส่งผลให้เครื่องบินสามารถบินได้เร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงที่ดีกว่า สำหรับในยานอวกาศ ความแข็งแรงของวัสดุที่อุณหภูมิสูงเป็นเรื่องที่สำคัญมากเพราะชิ้นส่วน เช่น เครื่องยนต์ของกระสวย ส่วนขับดัน และหัวจรวด ต้องใช้งานที่อุณหภูมิสูงมากกว่าเครื่องบินเป็นอย่างมากและยังต้องใช้ความเร็วสูงมากด้วย วัสดุนาโนจึงเป็นวัสดุชั้นยอดทีเดียวที่จะนำมาใช้เป็นวัสดุสำหรับอากาศยาน
Airbus A380 เครื่องบินโดยสารขนาดใหญ่ในอนาคต ถูกพัฒนาขึ้นบนพื้นฐานเทคโนโลยีระดับสูงหลายๆด้าน รวมถึงเทคโนโลยีด้านวัสดุด้วย
วัสดุเทียมที่มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน
ปัจจุบัน วัสดุเทียมที่ฝังในร่างกาย เช่น วัสดุทางออโธปิดิกส์ทดแทนกระดูก และลิ้นหัวใจเทียม มักทำมาจากวัสดุผสมไททาเนียมและเหล็กกล้าไร้สนิม วัสดุผสมนี้ถูกใช้ในร่างกายมนุษย์เพราะมีความเข้ากันได้กับเนื้อเยื่อ กล่าวคือ ไม่มีปฏิกิริยาต่อต้านเนื้อเยื่อ แต่วัสดุเหล่านี้มักไม่มีรูพรุน ซึ่งวัสดุที่เลียนแบบกระดูกตามธรรมชาติของมนุษย์ได้อย่างแท้จริงนั้น เนื้อเยื่อของร่างกายโดยรอบจะต้องสามารถแทรกซึมเข้าไปในวัสดุได้ เพื่อให้วัสดุมีความแข็งแรง แต่เนื่องจากวัสดุผสมนี้ไม่ยอมให้เนื้อเยื่อซึมผ่านไปได้ และมีการสึกกร่อนอย่างรวดเร็ว บ่อยครั้งที่ต้องเสียค่าใช้จ่ายสูงในการผ่าตัดเปลี่ยน อย่างไรก็ตาม ได้มีการใช้วัสดุเซรามิกเซอร์โคเนีย (เซอร์โคเนียมออกไซด์) ผลึกนาโนที่มีความแข็ง ทนทานการสึกหรอ ทนการกัดกร่อนของของเหลวในร่างกาย มีความเข้ากันได้กับเนื้อเยื่อในร่างกาย และยังสามารถทำให้มีรูพรุนในรูปของแอโรเจลได้โดยใช้วิธีสังเคราะห์ด้วยเทคนิคโซล-เจล ซึ่งเป็นผลทำให้สามารถผลิตวัสดุฝังในที่ต้องผ่าตัดเปลี่ยนน้อยครั้งกว่าเดิมมาก ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการผ่าตัดลง นอกจากนั้น วัสดุนาโนจากซิลิคอนคาร์ไบด์ก็เป็นอีกวัสดุหนึ่งที่ใช้ทำลิ้นหัวใจเทียม เพราะมีน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูงมาก มีความแข็งที่เป็นเลิศ ทนทานต่อการสึกกร่อน มีความคงทน ไม่ทำปฏิกิริยากับของเหลวในร่างกาย และทนทานต่อการกัดกร่อน
วัสดุนาโน: แนวโน้มใหม่
วัสดุนาโน: แนวโน้มใหม่
Thursday, 13 March 2008
บทนำ
วัสดุนาโนถูกพัฒนาและตรวจสอบสมบัติ วัสดุนาโนคือวัสดุที่มีส่วนประกอบหรือโครงสร้างระดับนาโนซึ่งส่งผลอย่างมีนัยสำคัญต่อสมบัติหรือหน้าที่การทำงาน แนวโน้มที่จะกล่าวถึงนี้เป็นส่วนหนึ่งของแนวโน้มทั้งหมดทางด้านการพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการบูรณาการของสหสาขา เช่น ฟิสิกส์ เคมี วัสดุศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ และชีววิทยา รวมทั้งการพัฒนาของวัสดุหลากหลายหน้าที่ที่เข้ากันได้กับสภาวะแวดล้อมที่สลับซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ แนวโน้มหลักที่สำคัญมี 3 แนว คือ
1. การบูรณาการของวัสดุเคมีและชีวภาพกับวัสดุพอลิเมอร์หรืออนินทรีย์ในระดับนาโน (วัสดุนาโนเชิงชีวภาพ bionanomaterials)
2. การรวมส่วนประกอบระดับนาโนเข้าไปในวัสดุเพื่อปรับปรุงการทำหน้าที่ (ส่วนประกอบนาโน nanocomposite)
3. การใช้กระบวนการแบบบนสู่ล่าง (top-down) หรือล่างสู่บน (bottom-up) ในการผลิตโครงสร้างระดับนาโนแบบใหม่ (functionalnanostructures)
แนวโน้มเหล่านี้มีเป้าหมาย คือ การพัฒนาวัสดุให้สามารถใช้ได้กับอุปกรณ์ ส่วนประกอบ และผลิตภัณฑ์ใหม่ โดยคำนึงถึงแรงขับดันและอุปสรรคของการพัฒนาวัสดุใหม่เหล่านี้ บทบาทของนาโนเทคโนโลยี
ระบบนำส่งยา
เครื่องมือหรือตัวตรวจจับเพื่อการวินิจฉัยทางการแพทย์
คะตะลิสต์
อัลลอยส์
ตัวตรวจจับทางชีวภาพ และทางเคมี
เครื่องมือวิเคราะห์ทางชีวภาพ
การสร้างภาพทางการแพทย์
ตัวกรองวัสดุนาโนเชิงชีวภาพ (Bionanomaterials)
วัสดุนาโนเชิงชีวภาพอยู่ในส่วนตัดกันของวัสดุนาโน (ซึ่งผลของขนาดมีอิทธิพลต่อการทำหน้าที่ของวัสดุ) และวัสดุชีวภาพ (ซึ่งเป็นการเติมชีววิทยาเข้าไปในการทำหน้าที่ของวัสดุที่มีขนาดแตกต่างกัน) วัสดุนาโนเชิงชีวภาพได้รวมมโนทัศน์ วิธีการ วัตถุดิบ และเครื่องมือที่ใช้ในนาโนศาสตร์ และนาโนเทคโนโลยี โดยรวมไปถึงชีววิทยา และวิศวกรรมชีวภาพเข้าด้วยกันเพื่อพัฒนาวัสดุที่ทำหน้าที่ใหม่ในระดับนาโน ในบางกรณี การออกแบบและประกอบเข้าด้วยกันของวัสดุเหล่านี้ได้เลียนแบการสร้างตามกลไกหรือ ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ กระบวนการเลียนแบบเชิงชีวภาพนี้บางครั้งมีเป้าหมายเพื่อพัฒนาวัสดุที่มีหน้าที่หรือการประยุกต์เชิงชีวภาพ แต่กระบวนการเลียนแบบเชิงชีวภาพยังสามารถใช้ได้กับการออกแบบ และการประกอบของวัสดุในระดับนาโนสำหรับใช้ทางกายภาพ เช่น อิเลคโทรนิค หรือคะตะลิสต์วิธีการเลียนแบบเชิงชีวภาพ (Biomimetic approaches)
วิธีการเลียนแบบเชิงชีวภาพถูกใช้กับ motor proteins เพื่อให้โมเลกุลพุ่งกลับไปกลับมาตามทางที่สร้างด้วยวิศวกรรมชีวภาพ การใช้เพื่อให้เกิดการจับติดกันของปลายเหนียวของโมเลกุลดีเอ็นเอที่เข้าคู่กันเพื่อประกอบขึ้นเป็นโครงสร้างนาโน การใช้กับโคพอลิเมอร์แบบบล็อคของพอลิเปปไทด์เพื่อให้เกิดโครงสร้างของซิลิกาที่เป็นระเบียบ และการออกแบบการแทนที่เทียมโดยเกิดการประกอบเข้าด้วยกันเองสำหรับโปรตีนคอลลาเจนที่เกิดเป็นตัวแบบ (template) สำหรับการเจริญของกระดูก การประยุกต์ใช้วิธีการเลียนแบบเชิงชีวภาพเป็นได้อย่างกว้างขวางรวมไปถึงการออกแบบและนำส่งยา คะตะไลซิส วิศวกรรมเนื้อเยื่อ การเก็บรวบรวม การกักเก็บ การแปลง และ การขนส่งพลังงาน การวิเคราะห์เชิงชีวภาพ การตรวจจับสารเคมีหรือสารชีวภาพ และอิเลคโทรนิคSupramolecular materials
Supramolecular materials (การจัดเรียงตัวของโมเลกุลที่สร้างขึ้นจากแรงในระดับโมเลกุลที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนท์) ได้ปรากฏขึ้นเป็นส่วนประกอบสำคัญในการทำหน้าที่ในระดับนาโนวัสดุเหล่านี้สามารถจัดเรียงตัวเองเกิดเป็นโครงสร้างในระดับนาโน เช่น รูปจาน แถบยาว และ ทรงกระบอกที่ยอมให้วัสดุออกฤทธิ์ทางชีวภาพเข้าไปเกาะติดได้ การเลือกตัดส่วนปลายที่จัดเรียงตัวด้วยตนเองถูกใช้เพื่อให้ได้วัสดุที่มีรูพรุนระดับนาโนที่ทำหน้าที่พิเศษ กระบวนการจัดเรียงตนเองทางชีวภาพสามารถประยุกต์ใช้กับการจัดเรียงตัวของวัสดุกายภาพ เช่น โมเลกุลที่ได้จากสายเปปไทด์สั้นจากไฟบริโนเจนสามารถนำมาใช้กำกับการจัดเรียงตัวด้วยตนเองของพอลิเอธิลีนกลัยคอล
เดนไดรเมอร์ถูกพัฒนาและจัดทำเป็นพาหะเพื่อห่อหุ้มยาสำหรับนำส่งยาสู่เป้า หรือสายดีเอ็นเอสำหรับยีนบำบัด รวมทั้งการเก็บเกี่ยวแสงอาทิตย์และส่งพลังงานเข้าสู่ศูนย์กลางของโมเลกุลซึ่งถูกนำไปใช้ใน optoelectronic หรือ photovoltaic applications กรณีศึกษาที่ 1: บทบาทสำคัญของการตั้งตำรับต่ออนุภาคนาโนของไคโตแซนอนุภาคนาโนของไคโตแซนนำส่งสารสกัดสมุนไพรบทนำอนุภาคนาโนของพอลิเมอร์ถูกศึกษาถึงการนำมาเป็นสารพาหะในการนำส่งยา อนุภาคนาโนมีบทบาทพิเศษในด้านการนำส่งยาสู่เป้าหมายคือ มันมีข้อดีของไลโปโซมรวมถึงสมบัติของขนาดที่เล็กมาก แต่ที่ไม่เหมือนไลโปโซมคือ อนุภาคนาโนมีครึ่งชีวิตยาวนานกว่าและยังเก็บกักยาได้มากกว่า มีนักวิจัยพบว่าจำนวนของอนุภาคนาโนที่ดูดซึมผ่านเยื่อบุลำไส้เล็กมีจำนวนมากกว่าการซึมผ่านของไมโครสเฟียร์ (micro-spheres) ซึ่งมีขนาดเล็กกว่า 1 ไมโครเมตร อนุภาคของนาโนพอลิเมอร์ที่เข้ากันได้และสลายตัวได้ในร่างกายเป็นตัวเลือกที่ดีในการนำส่งยาเพราะคาดว่าจะถูกดูดซึมเข้าไปทั้งอนุภาคผ่านทางเดินอาหารโดยไม่ถูกย่อยสลายไคโตแซนเป็นพอลิเมอร์ชีวภาพที่มีมากเป็นอันดับสองและมีประจุบวก ไคโตแซนแสดงสมบัติการเข้ากันได้ทางชีวภาพ และเพิ่มการดูดซึมผ่านเยื่อบางทั้ง in vivo และ in vitro และยังย่อยสลายได้ด้วยไลโซไซม์ในซีรั่ม จากมุมมองทางด้านชีวเภสัชกรรมพบว่าไคโตแซนมีศักยภาพในการเป็นสารเพิ่มการดูดซึมผ่านเยื่อบุลำไส้จากสมบัติการยึดเกาะ(เยื่อ)เมือกและเพิ่มการแทรกซึม ไคโตแซน ยังเพิ่มการดูดซึมอินสุลินผ่านเซลล์เยื่อบุลำไส้เล็ก (Caco- 2 cells) โดยไม่ทำอันตรายเซลล์นั้นไคโตแซนถูกใช้ทำเป็นฟิล์ม เม็ดบีด ยาเม็ดลอยในกระเพาะอาหาร ทรงกลมขนาดไมโคร (ไมโคร สเฟียร์) และอนุภาคนาโนในทางเภสัชกรรม อนุภาคนาโนมีข้อดีกว่าอนุภาคขนาดไมโครคือ อนุภาคนาโนถูกขนส่งโดยระบบไหลเวียนไปยังส่วนต่างๆ ของร่างกายเราเพราะเข้าถึงเป้าหมายได้ง่ายกว่า อนุภาคนาโนที่ชอบน้ำมีการไหลเวียนในโลหิตได้ยาวนานกว่าด้วย ระบบนาโนไม่เพียงแต่ควบคุมอัตราของการบริหารยาซึ่งขยายระยะเวลาของการรักษา แต่ยังนำส่งยาเข้าสู่ตำแหน่งจำเพาะอีกด้วยGlycyrrhetic acid (GLA) เป็น aglycone และ เป็นเมตาโบไลท์ที่มีฤทธิ์ของ glycyrrhizin (GLZ) มันมีฤทธิ์หลากหลาย เช่น ต้านการอักเสบ ต้านมะเร็งและฤทธิ์ต้านความเป็นพิษต่อตับ GLA มีประสิทธิภาพต่อการรักษาโรคตับเรื้อรัง GLA ถูกพิจารณาว่ามีบทบาทสำคัญต่อฤทธิ์ทางชีววิทยาของการให้ GLZ ทางการรับประทานเพราะพบเพียง GLA ในกระแสโลหิตแต่ไม่พบ GLZ การดูดซึมยา GLA ทางการรับประทานไม่มีประสิทธิภาพเลย แต่ยังไม่มีรายงานการกักเก็บยา GLA ในอนุภาคนาโนเพื่อเพิ่มการดูดซึมยาทางการรับประทานดังนั้นวัตถุประสงค์หลักของงานวิจัยนี้ คือ สร้างอนุภาคนาโนชนิดใหม่ที่สลายตัวได้ทางชีวภาพสำหรับกักเก็บ ammonium glycyrrhinate และเพื่อประเมินศักยภาพในการเป็นระบบนำส่งยา การศึกษานี้ยังยืนยันว่าไคโตแซนสามารถกักเก็บ ammonium glycyrrhinate ได้ในปริมาณที่ต้องการ ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการเตรียมอนุภาคนาโนถูกวิเคราะห์และสมบัติการปลดปล่อยยาใน phosphate buffer saline (PBS) ถูกทำการตรวจสอบวิธีการทำการทดลองการเตรียมอนุภาคนาโนไคโตแซนและอนุภาคนาโนที่กักเก็บ Ammonium Glycyrrhinateอนุภาคนาโนไคโตแซนถูกเตรียมโดยการเตรียมเจลไอออนิค (ionic gelation) ของไคโตแซนกับประจุลบของ TPP (tripolyphosphate) ไคโตแซนถูกละลายในกรดน้ำส้มที่ความเข้มข้น 1.0, 1.2, 1.44, 1.6, 2.0, 2.5 และ 3.0 mg/ml ความเข้มข้นของกรดน้ำส้มในสารละลายเป็น 1.5 เท่าของความเข้มข้นของไคโตแซน 4 มิลลิลิตรของสารละลาย sodium tripolyphosphate ที่เข้มข้น 0.2, 0.4, 0.6, 0.8,และ 1.0 mg/ml ถูกเติมลงไปใน 10 มิลลิลิตรของสารละลายไคโตแซนที่ถูกคนด้วยเครื่องกวนแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง เกิดปรากฏการณ์ขึ้น 3 แบบคือ สารละลาย การตกตะกอนและสารแขวนลอยที่ขุ่น โซนของสารแขวนลอยที่ขุ่นถูกทดสอบเพิ่มเติมเพื่อยืนยันว่าเป็นอนุภาคนาโนอนุภาคนาโนที่ดัดแปรด้วย PEG เกิดขึ้นเอง เมื่อเติม 4 มิลลิลิตรของ TPP(0.6 mg/ml) ลงใน 10 มิลลิลิตรของไคโตแซนที่มีความเข้มข้นของ PEG เท่ากับ 10.0, 20.0, 30.0, 40.0 และ 50.0 mg/mlammonium glycyrrhinate ถูกละลายในน้ำร้อน การเตรียมอนุภาคนาโนโดยเติม 4 มิลลิลิตรของสารละลาย TPP (0.6, 1.0 mg/ml) ลงใน 10 มิลลิลิตรของสารละลาย 1.44 mg/ml ของไคโตแซนที่มี ammonium glycyrrhinate เข้มข้น 0.1, 0.2, 0.3, 0.4,และ 0.5 mg/ml ความเข้มข้นของ ammonium glycyrrhinate คือ 0.4 mg/ml สำหรับการเตรียมอนุภาคที่ถูกดัดแปรด้วย PEGลักษณะทางเคมี- กายภาพของอนุภาคนาโนDynamic light scattering (DLS) ถูกใช้เพื่อวัด hydrodynamic diameter และการแจกแจงของขนาด การวัดที่ความยาวคลื่น 532 nm ที่ 25 oC ด้วยมุมตรวจวัดเท่ากับ 90 o ค่า zeta potential ของอนุภาคนาโนถูกวัดด้วยเครื่อง zeta potential analyzer ตัวอย่างถูกเจือจางด้วย 0.1 mM KCl และวัดโดย automatic mode Particle morphology ถูกตรวจสอบโดย TEMอนุภาคของไคโตแซนที่แยกออกจากสารแขวนลอยถูกทำให้แห้งด้วย freeze dryer และ การทำ FTIR ได้จาก KBr pellet บนเครื่อง Nicolet ประสิทธิภาพการกักเก็บ Ammonium glycyrrhizinate ในอนุภาคนาโนประสิทธิภาพการกักเก็บและความจุของการบรรทุก (loading capacity) ของอนุภาคนาโนถูกหาโดยการแยกอนุภาคนาโนออกจากตัวกลางที่เป็นน้ำโดย ultracentrifugation ที่ 35,000 rpm นาน 30 นาที Ammonium glycyrrhizinate อิสระที่เหลือในส่วนน้ำใสถูกวิเคราะห์ปริมาณโดย HPLC 20 ไมโครลิตรของส่วนใสถูกฉีดเข้าเครื่องโครมาโตกราฟฟีที่มี UV detector คอลัมน์ใช้แบบ reversed phase mobile phase ใช้สารผสมของ methanol:H2O = 4:1 โดยปรับให้มี pH 3.5 โดยเติม 3.6% acetic acid Flow rate คือ 1.0 มิลลิลิตร/นาที ที่ 25 oC วัดที่ความยาวคลื่น 254 nm การคำนวณหา Ammonium glycyrrhizinate encapsulation efficiency (AE) และ Ammonium glycyrrhizinate loading capacity (LC) ของอนุภาคนาโนแสดงในสมการที่ 1 และ 2 ตามลำดับ โดยทำการทดลองซ้ำ 3 ครั้งการปลดปล่อย Ammonium glycyrrhizinate จากอนุภาคนาโนแบบ in vitroเค้าโครงการปล่อย Ammonium glycyrrhizinate จากอนุภาคนาโนของไคโตแซนถูกหาได้โดยการนำเอาอนุภาคนาโนที่แยกออกจากสารแขวนลอยโดย ultra-centrifugation มากระจายตัวใหม่ใน 5 มิลลิลิตรของ 0.2 mol/L PBS (pH 7.4) แล้วบรรจุลงในถุงบาง dialysis ที่ยอมให้อนุภาคเล็กกว่า 5 kDa ผ่านได้ มัดถุงและใส่ใน 150 มิลลิลิตรของสารละลาย PBS รักษาอุณหภูมิที่ 37 oC และกวนสารละลายด้วยเครื่องกวนแม่เหล็ก เก็บ 3 มิลลิลิตรของสารละลายตัวกลางออกไปวิเคราะห์ตามเวลาที่กำหนดและแทนที่ด้วย 3 ml ของสารละลาย PBS ลงไป หาปริมาณตัวยาที่ถูกปลดปล่อยโดย HPLCความคงสภาพของอนุภาคที่บรรจุด้วย Ammonium glycyrrhizinate0.1 มิลลิลิตรของสารแขวนลอยอนุภาคนาโนถูกเจือจางด้วย 0.9 มิลลิลิตรของ 0.15 mol/L ของ NaCl ไคโตแซนที่มีน้ำหนักโมเลกุล 24 และ 200 kDa ถูกเลือกเพื่อนำมาใช้ในการทดลองนี้ขนาดอนุภาคถูกวัดภายหลังจากเก็บไว้ที่ 37 oC เป็นเวลา 40 นาทีผลการทดลอง ลักษณะทางเคมีและกายภาพของอนุภาคนาโนไคโตแซนโครงสร้างทางเคมีของ glycyrrhetic acid, sodium tripolyphosphate และไคโตแซนแสดงในรูปที่ 1รูปที่ 2 แสดง FITR spectra ของไคโตแซน อนุภาคนาโนของไคโตแซน อนุภาคนาโนที่บรรจุด้วย ammonium glycyrrhizinate และ ammonium glycyrrhizinate พีคของไคโตแซนมี 3 แห่งคือ ที่ 3424 cm-1 ของ n (OH) , 1092 cm-1 ของ n (C-O-C) และ 1610 cm-1 ของ n (NH2) สเปกตัมของอนุภาคนาโนไคโตแซน (รูป 2A) แตกต่างจากไคโตแซน (รูป2C) พีคที่ 3424 cm-1ของอนุภาคนาโนมีความกว้างมากขึ้นซึ่งแสดงว่าพันธะไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น พีคที่ 1610 cm-1ของการสั่นงอของ NH2 ย้ายไปที่ 1532 cm-1 และมีพีคที่ 1630 cm-1 เกิดขึ้น การจับกันระหว่าง phosphate และ ammonium ion น่าจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสเปกตัมเช่นนี้ เมื่อเทียบกับระหว่างสเปกตัมของ ammonium glycyrrhizinate (รูป 2D) และอนุภาคนาโนที่บรรจุ ammonium glycyrrhizinate (รูป 2B) พบว่าพีค 1718 cm-1(กลุ่มคาร์บอกซิล)หายไปและมีพีคที่ 1453 cm-1 (เกลือของคาร์บอกซิล) เกิดขึ้นผลลัพธ์นี้ชี้ให้เห็นว่าเกิดอันตรกิริยาเชิงไฟฟ้าสถิตระหว่างกลุ่มคาร์บอกซิลของ ammonium glycyrrhizinate กับกลุ่มอะมิโนของไคโตแซน
ที่มา แนวโน้มวัสดุนาโนใหม่
Thursday, 13 March 2008
บทนำ
วัสดุนาโนถูกพัฒนาและตรวจสอบสมบัติ วัสดุนาโนคือวัสดุที่มีส่วนประกอบหรือโครงสร้างระดับนาโนซึ่งส่งผลอย่างมีนัยสำคัญต่อสมบัติหรือหน้าที่การทำงาน แนวโน้มที่จะกล่าวถึงนี้เป็นส่วนหนึ่งของแนวโน้มทั้งหมดทางด้านการพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการบูรณาการของสหสาขา เช่น ฟิสิกส์ เคมี วัสดุศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ และชีววิทยา รวมทั้งการพัฒนาของวัสดุหลากหลายหน้าที่ที่เข้ากันได้กับสภาวะแวดล้อมที่สลับซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ แนวโน้มหลักที่สำคัญมี 3 แนว คือ
1. การบูรณาการของวัสดุเคมีและชีวภาพกับวัสดุพอลิเมอร์หรืออนินทรีย์ในระดับนาโน (วัสดุนาโนเชิงชีวภาพ bionanomaterials)
2. การรวมส่วนประกอบระดับนาโนเข้าไปในวัสดุเพื่อปรับปรุงการทำหน้าที่ (ส่วนประกอบนาโน nanocomposite)
3. การใช้กระบวนการแบบบนสู่ล่าง (top-down) หรือล่างสู่บน (bottom-up) ในการผลิตโครงสร้างระดับนาโนแบบใหม่ (functionalnanostructures)
แนวโน้มเหล่านี้มีเป้าหมาย คือ การพัฒนาวัสดุให้สามารถใช้ได้กับอุปกรณ์ ส่วนประกอบ และผลิตภัณฑ์ใหม่ โดยคำนึงถึงแรงขับดันและอุปสรรคของการพัฒนาวัสดุใหม่เหล่านี้ บทบาทของนาโนเทคโนโลยี
ระบบนำส่งยา
เครื่องมือหรือตัวตรวจจับเพื่อการวินิจฉัยทางการแพทย์
คะตะลิสต์
อัลลอยส์
ตัวตรวจจับทางชีวภาพ และทางเคมี
เครื่องมือวิเคราะห์ทางชีวภาพ
การสร้างภาพทางการแพทย์
ตัวกรองวัสดุนาโนเชิงชีวภาพ (Bionanomaterials)
วัสดุนาโนเชิงชีวภาพอยู่ในส่วนตัดกันของวัสดุนาโน (ซึ่งผลของขนาดมีอิทธิพลต่อการทำหน้าที่ของวัสดุ) และวัสดุชีวภาพ (ซึ่งเป็นการเติมชีววิทยาเข้าไปในการทำหน้าที่ของวัสดุที่มีขนาดแตกต่างกัน) วัสดุนาโนเชิงชีวภาพได้รวมมโนทัศน์ วิธีการ วัตถุดิบ และเครื่องมือที่ใช้ในนาโนศาสตร์ และนาโนเทคโนโลยี โดยรวมไปถึงชีววิทยา และวิศวกรรมชีวภาพเข้าด้วยกันเพื่อพัฒนาวัสดุที่ทำหน้าที่ใหม่ในระดับนาโน ในบางกรณี การออกแบบและประกอบเข้าด้วยกันของวัสดุเหล่านี้ได้เลียนแบการสร้างตามกลไกหรือ ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ กระบวนการเลียนแบบเชิงชีวภาพนี้บางครั้งมีเป้าหมายเพื่อพัฒนาวัสดุที่มีหน้าที่หรือการประยุกต์เชิงชีวภาพ แต่กระบวนการเลียนแบบเชิงชีวภาพยังสามารถใช้ได้กับการออกแบบ และการประกอบของวัสดุในระดับนาโนสำหรับใช้ทางกายภาพ เช่น อิเลคโทรนิค หรือคะตะลิสต์วิธีการเลียนแบบเชิงชีวภาพ (Biomimetic approaches)
วิธีการเลียนแบบเชิงชีวภาพถูกใช้กับ motor proteins เพื่อให้โมเลกุลพุ่งกลับไปกลับมาตามทางที่สร้างด้วยวิศวกรรมชีวภาพ การใช้เพื่อให้เกิดการจับติดกันของปลายเหนียวของโมเลกุลดีเอ็นเอที่เข้าคู่กันเพื่อประกอบขึ้นเป็นโครงสร้างนาโน การใช้กับโคพอลิเมอร์แบบบล็อคของพอลิเปปไทด์เพื่อให้เกิดโครงสร้างของซิลิกาที่เป็นระเบียบ และการออกแบบการแทนที่เทียมโดยเกิดการประกอบเข้าด้วยกันเองสำหรับโปรตีนคอลลาเจนที่เกิดเป็นตัวแบบ (template) สำหรับการเจริญของกระดูก การประยุกต์ใช้วิธีการเลียนแบบเชิงชีวภาพเป็นได้อย่างกว้างขวางรวมไปถึงการออกแบบและนำส่งยา คะตะไลซิส วิศวกรรมเนื้อเยื่อ การเก็บรวบรวม การกักเก็บ การแปลง และ การขนส่งพลังงาน การวิเคราะห์เชิงชีวภาพ การตรวจจับสารเคมีหรือสารชีวภาพ และอิเลคโทรนิคSupramolecular materials
Supramolecular materials (การจัดเรียงตัวของโมเลกุลที่สร้างขึ้นจากแรงในระดับโมเลกุลที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนท์) ได้ปรากฏขึ้นเป็นส่วนประกอบสำคัญในการทำหน้าที่ในระดับนาโนวัสดุเหล่านี้สามารถจัดเรียงตัวเองเกิดเป็นโครงสร้างในระดับนาโน เช่น รูปจาน แถบยาว และ ทรงกระบอกที่ยอมให้วัสดุออกฤทธิ์ทางชีวภาพเข้าไปเกาะติดได้ การเลือกตัดส่วนปลายที่จัดเรียงตัวด้วยตนเองถูกใช้เพื่อให้ได้วัสดุที่มีรูพรุนระดับนาโนที่ทำหน้าที่พิเศษ กระบวนการจัดเรียงตนเองทางชีวภาพสามารถประยุกต์ใช้กับการจัดเรียงตัวของวัสดุกายภาพ เช่น โมเลกุลที่ได้จากสายเปปไทด์สั้นจากไฟบริโนเจนสามารถนำมาใช้กำกับการจัดเรียงตัวด้วยตนเองของพอลิเอธิลีนกลัยคอล
เดนไดรเมอร์ถูกพัฒนาและจัดทำเป็นพาหะเพื่อห่อหุ้มยาสำหรับนำส่งยาสู่เป้า หรือสายดีเอ็นเอสำหรับยีนบำบัด รวมทั้งการเก็บเกี่ยวแสงอาทิตย์และส่งพลังงานเข้าสู่ศูนย์กลางของโมเลกุลซึ่งถูกนำไปใช้ใน optoelectronic หรือ photovoltaic applications กรณีศึกษาที่ 1: บทบาทสำคัญของการตั้งตำรับต่ออนุภาคนาโนของไคโตแซนอนุภาคนาโนของไคโตแซนนำส่งสารสกัดสมุนไพรบทนำอนุภาคนาโนของพอลิเมอร์ถูกศึกษาถึงการนำมาเป็นสารพาหะในการนำส่งยา อนุภาคนาโนมีบทบาทพิเศษในด้านการนำส่งยาสู่เป้าหมายคือ มันมีข้อดีของไลโปโซมรวมถึงสมบัติของขนาดที่เล็กมาก แต่ที่ไม่เหมือนไลโปโซมคือ อนุภาคนาโนมีครึ่งชีวิตยาวนานกว่าและยังเก็บกักยาได้มากกว่า มีนักวิจัยพบว่าจำนวนของอนุภาคนาโนที่ดูดซึมผ่านเยื่อบุลำไส้เล็กมีจำนวนมากกว่าการซึมผ่านของไมโครสเฟียร์ (micro-spheres) ซึ่งมีขนาดเล็กกว่า 1 ไมโครเมตร อนุภาคของนาโนพอลิเมอร์ที่เข้ากันได้และสลายตัวได้ในร่างกายเป็นตัวเลือกที่ดีในการนำส่งยาเพราะคาดว่าจะถูกดูดซึมเข้าไปทั้งอนุภาคผ่านทางเดินอาหารโดยไม่ถูกย่อยสลายไคโตแซนเป็นพอลิเมอร์ชีวภาพที่มีมากเป็นอันดับสองและมีประจุบวก ไคโตแซนแสดงสมบัติการเข้ากันได้ทางชีวภาพ และเพิ่มการดูดซึมผ่านเยื่อบางทั้ง in vivo และ in vitro และยังย่อยสลายได้ด้วยไลโซไซม์ในซีรั่ม จากมุมมองทางด้านชีวเภสัชกรรมพบว่าไคโตแซนมีศักยภาพในการเป็นสารเพิ่มการดูดซึมผ่านเยื่อบุลำไส้จากสมบัติการยึดเกาะ(เยื่อ)เมือกและเพิ่มการแทรกซึม ไคโตแซน ยังเพิ่มการดูดซึมอินสุลินผ่านเซลล์เยื่อบุลำไส้เล็ก (Caco- 2 cells) โดยไม่ทำอันตรายเซลล์นั้นไคโตแซนถูกใช้ทำเป็นฟิล์ม เม็ดบีด ยาเม็ดลอยในกระเพาะอาหาร ทรงกลมขนาดไมโคร (ไมโคร สเฟียร์) และอนุภาคนาโนในทางเภสัชกรรม อนุภาคนาโนมีข้อดีกว่าอนุภาคขนาดไมโครคือ อนุภาคนาโนถูกขนส่งโดยระบบไหลเวียนไปยังส่วนต่างๆ ของร่างกายเราเพราะเข้าถึงเป้าหมายได้ง่ายกว่า อนุภาคนาโนที่ชอบน้ำมีการไหลเวียนในโลหิตได้ยาวนานกว่าด้วย ระบบนาโนไม่เพียงแต่ควบคุมอัตราของการบริหารยาซึ่งขยายระยะเวลาของการรักษา แต่ยังนำส่งยาเข้าสู่ตำแหน่งจำเพาะอีกด้วยGlycyrrhetic acid (GLA) เป็น aglycone และ เป็นเมตาโบไลท์ที่มีฤทธิ์ของ glycyrrhizin (GLZ) มันมีฤทธิ์หลากหลาย เช่น ต้านการอักเสบ ต้านมะเร็งและฤทธิ์ต้านความเป็นพิษต่อตับ GLA มีประสิทธิภาพต่อการรักษาโรคตับเรื้อรัง GLA ถูกพิจารณาว่ามีบทบาทสำคัญต่อฤทธิ์ทางชีววิทยาของการให้ GLZ ทางการรับประทานเพราะพบเพียง GLA ในกระแสโลหิตแต่ไม่พบ GLZ การดูดซึมยา GLA ทางการรับประทานไม่มีประสิทธิภาพเลย แต่ยังไม่มีรายงานการกักเก็บยา GLA ในอนุภาคนาโนเพื่อเพิ่มการดูดซึมยาทางการรับประทานดังนั้นวัตถุประสงค์หลักของงานวิจัยนี้ คือ สร้างอนุภาคนาโนชนิดใหม่ที่สลายตัวได้ทางชีวภาพสำหรับกักเก็บ ammonium glycyrrhinate และเพื่อประเมินศักยภาพในการเป็นระบบนำส่งยา การศึกษานี้ยังยืนยันว่าไคโตแซนสามารถกักเก็บ ammonium glycyrrhinate ได้ในปริมาณที่ต้องการ ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการเตรียมอนุภาคนาโนถูกวิเคราะห์และสมบัติการปลดปล่อยยาใน phosphate buffer saline (PBS) ถูกทำการตรวจสอบวิธีการทำการทดลองการเตรียมอนุภาคนาโนไคโตแซนและอนุภาคนาโนที่กักเก็บ Ammonium Glycyrrhinateอนุภาคนาโนไคโตแซนถูกเตรียมโดยการเตรียมเจลไอออนิค (ionic gelation) ของไคโตแซนกับประจุลบของ TPP (tripolyphosphate) ไคโตแซนถูกละลายในกรดน้ำส้มที่ความเข้มข้น 1.0, 1.2, 1.44, 1.6, 2.0, 2.5 และ 3.0 mg/ml ความเข้มข้นของกรดน้ำส้มในสารละลายเป็น 1.5 เท่าของความเข้มข้นของไคโตแซน 4 มิลลิลิตรของสารละลาย sodium tripolyphosphate ที่เข้มข้น 0.2, 0.4, 0.6, 0.8,และ 1.0 mg/ml ถูกเติมลงไปใน 10 มิลลิลิตรของสารละลายไคโตแซนที่ถูกคนด้วยเครื่องกวนแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง เกิดปรากฏการณ์ขึ้น 3 แบบคือ สารละลาย การตกตะกอนและสารแขวนลอยที่ขุ่น โซนของสารแขวนลอยที่ขุ่นถูกทดสอบเพิ่มเติมเพื่อยืนยันว่าเป็นอนุภาคนาโนอนุภาคนาโนที่ดัดแปรด้วย PEG เกิดขึ้นเอง เมื่อเติม 4 มิลลิลิตรของ TPP(0.6 mg/ml) ลงใน 10 มิลลิลิตรของไคโตแซนที่มีความเข้มข้นของ PEG เท่ากับ 10.0, 20.0, 30.0, 40.0 และ 50.0 mg/mlammonium glycyrrhinate ถูกละลายในน้ำร้อน การเตรียมอนุภาคนาโนโดยเติม 4 มิลลิลิตรของสารละลาย TPP (0.6, 1.0 mg/ml) ลงใน 10 มิลลิลิตรของสารละลาย 1.44 mg/ml ของไคโตแซนที่มี ammonium glycyrrhinate เข้มข้น 0.1, 0.2, 0.3, 0.4,และ 0.5 mg/ml ความเข้มข้นของ ammonium glycyrrhinate คือ 0.4 mg/ml สำหรับการเตรียมอนุภาคที่ถูกดัดแปรด้วย PEGลักษณะทางเคมี- กายภาพของอนุภาคนาโนDynamic light scattering (DLS) ถูกใช้เพื่อวัด hydrodynamic diameter และการแจกแจงของขนาด การวัดที่ความยาวคลื่น 532 nm ที่ 25 oC ด้วยมุมตรวจวัดเท่ากับ 90 o ค่า zeta potential ของอนุภาคนาโนถูกวัดด้วยเครื่อง zeta potential analyzer ตัวอย่างถูกเจือจางด้วย 0.1 mM KCl และวัดโดย automatic mode Particle morphology ถูกตรวจสอบโดย TEMอนุภาคของไคโตแซนที่แยกออกจากสารแขวนลอยถูกทำให้แห้งด้วย freeze dryer และ การทำ FTIR ได้จาก KBr pellet บนเครื่อง Nicolet ประสิทธิภาพการกักเก็บ Ammonium glycyrrhizinate ในอนุภาคนาโนประสิทธิภาพการกักเก็บและความจุของการบรรทุก (loading capacity) ของอนุภาคนาโนถูกหาโดยการแยกอนุภาคนาโนออกจากตัวกลางที่เป็นน้ำโดย ultracentrifugation ที่ 35,000 rpm นาน 30 นาที Ammonium glycyrrhizinate อิสระที่เหลือในส่วนน้ำใสถูกวิเคราะห์ปริมาณโดย HPLC 20 ไมโครลิตรของส่วนใสถูกฉีดเข้าเครื่องโครมาโตกราฟฟีที่มี UV detector คอลัมน์ใช้แบบ reversed phase mobile phase ใช้สารผสมของ methanol:H2O = 4:1 โดยปรับให้มี pH 3.5 โดยเติม 3.6% acetic acid Flow rate คือ 1.0 มิลลิลิตร/นาที ที่ 25 oC วัดที่ความยาวคลื่น 254 nm การคำนวณหา Ammonium glycyrrhizinate encapsulation efficiency (AE) และ Ammonium glycyrrhizinate loading capacity (LC) ของอนุภาคนาโนแสดงในสมการที่ 1 และ 2 ตามลำดับ โดยทำการทดลองซ้ำ 3 ครั้งการปลดปล่อย Ammonium glycyrrhizinate จากอนุภาคนาโนแบบ in vitroเค้าโครงการปล่อย Ammonium glycyrrhizinate จากอนุภาคนาโนของไคโตแซนถูกหาได้โดยการนำเอาอนุภาคนาโนที่แยกออกจากสารแขวนลอยโดย ultra-centrifugation มากระจายตัวใหม่ใน 5 มิลลิลิตรของ 0.2 mol/L PBS (pH 7.4) แล้วบรรจุลงในถุงบาง dialysis ที่ยอมให้อนุภาคเล็กกว่า 5 kDa ผ่านได้ มัดถุงและใส่ใน 150 มิลลิลิตรของสารละลาย PBS รักษาอุณหภูมิที่ 37 oC และกวนสารละลายด้วยเครื่องกวนแม่เหล็ก เก็บ 3 มิลลิลิตรของสารละลายตัวกลางออกไปวิเคราะห์ตามเวลาที่กำหนดและแทนที่ด้วย 3 ml ของสารละลาย PBS ลงไป หาปริมาณตัวยาที่ถูกปลดปล่อยโดย HPLCความคงสภาพของอนุภาคที่บรรจุด้วย Ammonium glycyrrhizinate0.1 มิลลิลิตรของสารแขวนลอยอนุภาคนาโนถูกเจือจางด้วย 0.9 มิลลิลิตรของ 0.15 mol/L ของ NaCl ไคโตแซนที่มีน้ำหนักโมเลกุล 24 และ 200 kDa ถูกเลือกเพื่อนำมาใช้ในการทดลองนี้ขนาดอนุภาคถูกวัดภายหลังจากเก็บไว้ที่ 37 oC เป็นเวลา 40 นาทีผลการทดลอง ลักษณะทางเคมีและกายภาพของอนุภาคนาโนไคโตแซนโครงสร้างทางเคมีของ glycyrrhetic acid, sodium tripolyphosphate และไคโตแซนแสดงในรูปที่ 1รูปที่ 2 แสดง FITR spectra ของไคโตแซน อนุภาคนาโนของไคโตแซน อนุภาคนาโนที่บรรจุด้วย ammonium glycyrrhizinate และ ammonium glycyrrhizinate พีคของไคโตแซนมี 3 แห่งคือ ที่ 3424 cm-1 ของ n (OH) , 1092 cm-1 ของ n (C-O-C) และ 1610 cm-1 ของ n (NH2) สเปกตัมของอนุภาคนาโนไคโตแซน (รูป 2A) แตกต่างจากไคโตแซน (รูป2C) พีคที่ 3424 cm-1ของอนุภาคนาโนมีความกว้างมากขึ้นซึ่งแสดงว่าพันธะไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น พีคที่ 1610 cm-1ของการสั่นงอของ NH2 ย้ายไปที่ 1532 cm-1 และมีพีคที่ 1630 cm-1 เกิดขึ้น การจับกันระหว่าง phosphate และ ammonium ion น่าจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสเปกตัมเช่นนี้ เมื่อเทียบกับระหว่างสเปกตัมของ ammonium glycyrrhizinate (รูป 2D) และอนุภาคนาโนที่บรรจุ ammonium glycyrrhizinate (รูป 2B) พบว่าพีค 1718 cm-1(กลุ่มคาร์บอกซิล)หายไปและมีพีคที่ 1453 cm-1 (เกลือของคาร์บอกซิล) เกิดขึ้นผลลัพธ์นี้ชี้ให้เห็นว่าเกิดอันตรกิริยาเชิงไฟฟ้าสถิตระหว่างกลุ่มคาร์บอกซิลของ ammonium glycyrrhizinate กับกลุ่มอะมิโนของไคโตแซน
ที่มา แนวโน้มวัสดุนาโนใหม่
นาโนเกษตร
“ประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรม” นับตั้งแต่มีการตั้งอาณาจักร ชนชาติไทยได้ดำรงตนอยู่ใน
ดินแดนแห่งเกษตรกรรมที่อุดมสมบูรณ์ แม้กระทั่งทุกวันนี้ก็ยังกล่าวได้ว่า แดนดินถิ่นไทยของเราก็ยัง
เป็นประเทศเกษตรกรรมอยู่ ในอดีตอาณาจักรใดก็ตามที่มีการทำไร่ ทำนา ทำสวน และเลี้ยงสัตว์ได้ดี
จะถือว่ามีความร่ำรวย และเป็นศูนย์กลางแห่งความเจริญ ด้วยเหตุนี้พื้นที่ลุ่มน้ำที่มีความเหมาะสมแก่
การเพาะปลูกจึงมักเป็นศูนย์รวมแห่งการปกครองในอดีต จนกระทั่งมีการประดิษฐ์คิดค้นเครื่องจักร
ไอน้ำอันนำมาสู่การปฏิวัติอุตสาหกรรมเมื่อประมาณ 200 ปีที่แล้ว ทฤษฎีเศรษฐศาสตร์จึงเปลี่ยนไป ความมั่งคั่งได้ย้ายฐานไปสู่ประเทศที่มีระบบอุตสาหกรรมและมีความก้าวหน้าด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี แม้กระทั่งประเทศไทยเองซึ่งถือได้ว่ามีความมั่งคั่งในอดีตตั้งแต่ครั้งยังเป็นอาณาจักรสุโขทัยและศรีอยุธยาจนได้รับสมญานามว่า “สุวรรณภูมิ” ก็ยังถูกนิยามให้เป็นหนึ่งในประเทศยากจนที่สุดของโลกเมื่อ 50 ปีที่แล้วกลุ่มประเทศที่มีความร่ำรวยที่สุดของโลกซึ่งเรียกตัวเองว่า “G8” ล้วนเป็นประเทศที่มีความก้าวหน้าด้านอุตสาหกรรมทั้งสิ้น จนกลายเป็นคำกล่าวในเหล่าประเทศทุนนิยมว่า “ไม่มีประเทศใดร่ำรวยจากเกษตรกรรม”ซึ่งเข้าใจได้ไม่ยาก สินค้าเกษตรกรรมอย่างข้าวต้องใช้ถึง 2-3 เกวียนจึงจะสามารถนำไปแลกโทรศัพท์มือถือรุ่นดีๆได้ ทั้งที่การผลิตโทรศัพท์มือถือนั้นสามารถทำออกมาเป็นพันๆเครื่องในเวลาไม่กี่ชั่วโมงโดยแทบจะใช้เครื่องจักรเกือบทั้งหมด ……. แต่ …… ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เกษตรกรรมจะกลับมาเป็นเรื่องของไฮเทคโนโลยีและสร้างความมั่งคั่งแก่ประเทศที่ครอบครองอีกครั้ง
ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ได้เกิดศาสตร์น้องใหม่มาแรงที่เรียกว่า “เกษตรความแม่นยำสูง” (Precision Agriculture) ซึ่งได้นำเอาเทคโนโลยีหลายๆ ด้าน เช่น เทคโนโลยีสื่อสาร เทคโนโลยีสารสนเทศ เทคโนโลยีวัสดุ
เทคโนโลยีชีวภาพ เพื่อทำให้เกษตรกรรมเป็นงานที่มีความแม่นยำเช่นเดียวกับกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมในเมืองไทยเราก็เริ่มมีกลุ่มนักวิจัยรวมตัวกันทำงานในด้านนี้แล้วซึ่งนำโดยศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ หรือ NECTEC โดยนักวิชาการเมืองไทยเรียกศาสตร์นี้ว่า อะกรีทรอนิกส์ (Agritronics) ซึ่งรวมเพียงเทคโนโลยีสื่อสารและสารสนเทศเข้ามาใช้งานในทางเกษตร ในขณะที่ “เกษตรความแม่นยำสูง” จะบูรณาการเทคโนโลยีหลากหลายด้านกว่า รวมไปถึงนาโนเทคโนโลยีด้วย
เริ่มจากการทำไร่ที่มีการนำเซ็นเซอร์จิ๋วไร้สายมาใช้งานในการเก็บข้อมูลความชื้นในดิน อุณหภูมิ ปริมาณแสงซึ่งเซ็นเซอร์จิ๋วเหล่านี้สามารถนำไปวางให้ครอบคลุมพื้นที่ เซ็นเซอร์ไร้สายที่วงการอุตสาหกรรมเรียกกันว่า “ฝุ่นฉลาด” (Smart Dust) เหล่านี้สามารถคุยกันและส่งผ่านข้อมูลให้แก่กันและกันได้ หากเราสอบถามข้อมูลไปยังเซ็นเซอร์ที่อยู่ใกล้ที่สุดเพียงตัวเดียว ข้อมูลทั้งหมดของเซ็นเซอร์ทุกตัวก็จะสามารถถ่ายทอดมายังศูนย์บัญชาการของฟาร์มได้ทันที บริษัท Accenture แห่งประเทศสหรัฐอเมริกาได้สาธิตโดยการนำเอาเซ็นเซอร์จิ๋วไปโรยไว้ในไร่องุ่นสำหรับผลิตไวน์ที่ชื่อว่า Pickberry ในมลรัฐแคลิฟอร์เนีย ในแปลงสาธิตนั้นใช้เซ็นเซอร์ 17 ตัวครอบคลุมพื้นที่ซึ่งมีรูปร่างเหมือนหัวม้าจำนวน 10 ไร่ โดยสามารถคลิ๊กเพื่อเรียกดูข้อมูลได้จากเว็บ เบื้องต้นเครือข่ายเซ็นเซอร์ใช้เพื่อเก็บข้อมูลเรียลไทม์เท่านั้น แต่ต่อไปมันสามารถที่จะใช้ในการควบคุมการเปิดปิดวาล์วน้ำโดยอัตโนมัติ เพื่อให้น้ำแก่ต้นพืชในปริมาณที่เหมาะสม ซึ่งการควบคุมนี้ยังสามารถทำให้มีความสัมพันธ์กับข้อมูลพยากรณ์อากาศในท้องถิ่นด้วยก็ได้ เช่นหากทราบว่าจะมีฝนตกวาล์วน้ำจะปิด เครือข่ายเซ็นเซอร์เหล่านั้นยังอาจใช้เฝ้าระวังโรคพืช โดยตรวจจับโมเลกุลตัวบ่งชี้บางชนิดที่สื่อว่าพืชกำลังจะเป็นโรคก่อนที่จะลุกลามใหญ่โต
เซ็นเซอร์จิ๋วสามารถนำไปใช้ในการปรับปรุงผลผลิตได้ ผู้เขียนมีความคิดในการนำเซ็นเซอร์จิ๋วนี้ไปวางในไร่ชา
แถบจังหวัดเชียงราย โดยจะเก็บข้อมูลความชื้นและอุณหภูมิของแปลงชาที่แตกต่างกัน เมื่อมีการเก็บชามาแล้วก็
จะนำชามาดมกลิ่นโดยจมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Nose) เพื่อทำการจดจำและระบุกลิ่นชา ทั้งที่เป็นชาสด ชา
หมักและผ่านการชงน้ำร้อน ซึ่งจะเก็บข้อมูลแต่ละช่วงของปี แล้วทำการหาความสัมพันธ์ระหว่างข้อมูลทางด้าน
สภาพอากาศกับคุณภาพกลิ่นรสของชาที่ผลิตได้ เช่นเดียวกับที่ไร่ Pickberry ที่กล่าวมาข้างต้นนั้น เจ้าของฟาร์ม
อยากได้องุ่นที่เมื่อเก็บเกี่ยวแล้วนำไปผลิตไวน์ที่มีรสชาติดี
เซ็นเซอร์จิ๋วเหล่านี้หากนำมาใช้กันอย่างกว้างขวาง มี
การเชื่อมโยงข้อมูลจากแต่ละฟาร์มมายังผู้ให้บริการ
น้ำอย่างกรมชลประทาน ก็จะช่วยให้การจัดการน้ำ
เป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งระบบ GIS
(Geography Information Ssystem) จะช่วยให้ทราบว่า
กรมชลประทานมีน้ำพอเพียงตลอดฤดูผลิตหรือไม่
ในเรื่องของการใช้ยาปราบศัตรูพืชซึ่งเป็นหัวข้อที่
ถกเถียงกันไม่จบ จนนำมาสู่เกษตรทางเลือก เช่น
เกษตรอินทรีย์ที่จะไม่ใช้ยาฆ่าแมลง ต้องยอมรับว่า
เกษตรทางเลือกเหล่านั้นก็ยังไม่ประสบความสำเร็จใน
ระดับมหภาค ทั้งยังคงเป็นแค่แปลงทดลองที่ไม่สามารถสร้างผลผลิตให้เพียงพอในเชิงพาณิชย์ ดังนั้นการใช้ยา
ปราบศัตรูพืชก็จะยังคงมีต่อไป หากแต่ต้องทำให้ยาเหล่านั้นมีความฉลาดสักหน่อย บริษัท Syngenta ใน
สหรัฐอเมริกาได้ทดลองบรรจุฮอร์โมนเร่งการเจริญเติบโตในแค็ปซูลจิ๋ว (Microencapsulation) ซึ่งมีขนาด 200-
400 นาโนเมตร ซึ่งมีความทนทานต่อความร้อนและแรงกล เมื่อฉีดไปที่พืชก็จะค่อยๆสลายและปลดปล่อยสาร
ออกมา โดยไม่ต้องคำนึงถึงสภาพภูมิอากาศภายนอก จึงฉีดครั้งเดียวแล้วทำงานตลอดช่วงฤดูผลิต แค็ปซูลจิ๋วพวก
นี้ก็มีการนำมาบรรจุยาปราบศัตรูพืชเช่นกัน การออกแบบวัสดุที่ใช้ในการผลิตแค็ปซูลก็จะช่วยให้มันทำตามสั่ง
ได้ เช่น ออกแบบให้แค็ปซูลแตกตัวเมื่อกระทบกับใบของต้นพืชเท่านั้น ผลิตภัณฑ์ที่น่าทึ่งอีกชนิดคือ “ตัวกัด
กระเพาะแมลง” (Gutbuster) ซึ่งเป็นแค็ปซูลจิ๋วที่บรรจุโปรตีนสารพิษประเภทบีที (Bt หรือ Bacillus
thuringiensis) ซึ่งแค็ปซูลนี้จะแตกตัวเมื่อเจอกับสภาพด่างในกระเพาะแมลงปลดปล่อยสารพิษออกมาทำลาย
กระเพาะแมลงจนตาย โปรตีนสารพิษบีทีนี้จะจำเพาะเจาะจงกับแมลงบางชนิดเท่านั้น จึงไม่เป็นอันตรายต่อ
มนุษย์และปศุสัตว์ ระบบปราบศัตรูพืชนี้ยังอาจนำไปใช้งานร่วมกับเซ็นเซอร์จิ๋ว เพื่อใช้ปลดปล่อยยาปราบ
ศัตรูพืชด้วยก็ได้ ศาสตร์การทำแค็ปซูลจิ๋วจึงมีความกว้างขวางในการใช้งานมาก โดยขึ้นกับคุณสมบัติการควบคุม
การปลดปล่อยดังต่อไปนี้
• การปลดปล่อยช้า (Slow release) แค็ปซูลจะ
ค่อยๆ ปลดปล่อยสารหรือยาในระยะเวลาที่
ยาวนานพอ ทำให้มีการนำไปใช้โดยไม่เหลือทิ้ง
• การปลดปล่อยเร็ว (Quick release) แค็ปซูลแตก
ออกอย่างรวดเร็วเมื่อกระทบพื้นผิวจำเพาะ เช่น
เมื่อกระทบใบของวัชพืชเพื่อปลดปล่อยยาฆ่า
วัชพืช
• การปลดปล่อยจำเพาะ (Specific release) แค็ปซู
ลแตกออกเมื่ออยู่โมเลกุลตัวรับพบกับสารเคมี
เฉพาะ เช่นพบกับเซลล์เชื้อโรค เป็นต้น
• การปลดปล่อยด้วยความชื้น (Moisture release)
แค็ปซูลแตกออกเมื่อพบกับความชื้นหรือน้ำ เช่น การบรรจุสารอาหารให้แตกตัวออกในดิน แล้วสามารถ
ซึมซับเข้าสู่รากพืชโดยตรง
• การปลดปล่อยด้วยความร้อน (Heat release) แค็ปซูลแตกตัวออกเมื่อถึงอุณหภูมิหนึ่งเพื่อปลดปล่อย
สารทำงาน
• การปลดปล่อยด้วยสภาพกรด-ด่าง (pH release) แค็ปซูลปลดปล่อยสารออกมาเมื่อถึงระดับกรด-ด่างที่
เหมาะสม เช่น แค็ปซูลจิ๋วที่บรรจุโปรตีนสารพิษประเภทบีทีแตกตัวออกในกระเพาะแมลง
นอกจากนั้นยังมีวิธีการปลดปล่อยอื่นๆอีก แต่มักใช้ในทางการแพทย์มากกว่าในการเกษตร เช่น การปลดปล่อย
ด้วยเสียงอุลตราซาวด์ การปลดปล่อยโดยการกระตุ้นด้วยสนามแม่เหล็ก เป็นต้น กลุ่มวิจัยในเมืองไทยที่ทำงาน
วิจัยเรื่องนี้ก็มีที่ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ
ในเรื่องของปศุสัตว์นั้นสามารถนำเซ็นเซอร์ตรวจโรคมาใช้ตรวจสอบสถานะด้านสุขภาพของฟาร์ม เทคโนโลยี
ใหม่ๆทำให้การตรวจสอบสามารถทำได้ ณ ตำแหน่งใช้งาน แทนที่จะต้องนำไปทำที่ห้องปฏิบัติการ ตอนนี้เรามี
เซ็นเซอร์หลายแบบ เช่น
• Surface Plasmon Resonance (SPR) Biosensor ซึ่งตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงสมบัติการสะท้อนแสง
เมื่อมีโมเลกุลเชื้อโรคมาจับกับโมเลกุลตัวรับ ดังนั้นเราสามารถออกแบบให้ตรวจโรคใดโรคหนึ่งด้วย
การใช้โมเลกุลตัวรับที่เหมาะสม กลุ่มวิจัยในเมืองไทยที่ทำงานวิจัยเรื่องนี้ก็มีที่ศูนย์นาโนเทคโนโลยี
คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล
• Cantilever Based Sensor เป็นการนำโมเลกุลตัวรับมาติดไว้บนแผ่นกระดกจิ๋ว เมื่อมีโมเลกุลเชื้อโรคมา
จับแผ่นกระดกเล็กๆ ก็จะหนักมากขึ้นและเอียงลง ซึ่งสามารถตรวจสอบได้ด้วยแสงเลเซอร์ กลุ่มวิจัยใน
เมืองไทยที่ทำงานวิจัยเรื่องนี้ก็คือ ห้องปฏิบัติการนาโนอิเล็กทรอนิกส์และเครื่องกลไฟฟ้าจุลภาค ของ
NECTEC
• Lab on a Chip หรือ เทคโนโลยีห้องปฏิบัติการจิ๋ว ซึ่งก็คือการย่อส่วนห้องปฏิบัติการทดลองจากห้อง
ขนาด 50 ตารางเมตรลงไปอยู่ในชิพที่ปัจจุบันมีขนาดประมาณเล็บของนิ้วโป้ง และมีทีท่าว่าต่อไปขนาด
ของมันจะเล็กลงไปได้อีก ขั้นตอนการทำงานของห้องปฏิบัติการบนชิพนี้ก็เลียนแบบการทำงานของ
ห้องปฏิบัติการจริงๆนั่นเอง ตัวอย่างเช่น เมื่อใส่ตัวอย่างเข้าไปที่ช่องที่เตรียมให้ ก็จะมีปั๊มจิ๋วดูดสาร
ตัวอย่างให้ไหลมาตามท่อจิ๋วเพื่อมาผสมกับสารเคมีที่เตรียมไว้ในชิพ เมื่อผสมกันแล้วก็จะผ่านท่อไปยัง
ส่วนแยก ที่ปลายของคอลัมน์แยกก็จะมีท่อของสารเคมีอีกชนิดหนึ่งเพื่อปลดปล่อยสารให้เข้ามาผสมกัน
แล้วเกิดเป็นสีให้ผู้ใช้สามารถดูว่าเป็นโรค
อะไร โดยอาจมีท่อแยกออกไปหลายทาง
เพื่อให้ผลในลักษณะต่างๆ กัน กลุ่มวิจัย
ในเมืองไทยที่ทำงานวิจัยเรื่องนี้ก็คือ
ห้องปฏิบัติการนาโนอิเล็กทรอนิกส์และ
เครื่องกลไฟฟ้าจุลภาค ของ NECTEC
ประเทศไทยมีสัตว์เศรษฐกิจหลายชนิด เช่น ไก่ กุ้ง ซึ่งมักเกิดโรคระบาดเป็นประจำ ดังนั้นการมีระบบเฝ้าระวัง
โรคจึงเป็นเรื่องจำเป็น
นาโนเทคโนโลยียังสามารถไปเกี่ยวข้องกับขั้นตอนหลังการเก็บเกี่ยวอีกด้วย เช่น การบรรจุหีบห่อ การตรวจสอบ
เชื้อโรคในอาหาร เป็นต้น บริษัท Bayer ของเยอรมันได้ผลิตฟิล์มพลาสติกที่มีส่วนผสมของอนุภาคนาโนของดิน
(Polymer-Clay Nanocomposites) ซึ่งสามารถกันการซึมผ่านของโมเลกุลน้ำ อ็อกซิเจน ไม่ให้เข้าไปสัมผัสกับ
อาหารข้างใน โดยอนุภาคนาโนของดินนี้ได้ช่วยให้ฟิล์มพลาสติกเบาขึ้น ทนทานขึ้น และทนต่อความร้อนด้วย
ในเมืองไทยมีการวิจัยเรื่องนี้ที่สถาบันปิโตรเคมีแห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และที่ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและ
วัสดุแห่งชาติ (MTEC) ซึ่งจะมีประโยชน์ในการขนส่งผลไม้ และผลิตภัณฑ์เกษตรต่างๆ นอกจากนี้บรรจุภัณฑ์ยัง
สามารถทำให้ฉลาดมากขึ้นไปอีกด้วยการมีเซ็นเซอร์ตรวจสอบว่าอาหารจะบูดหรือไม่ เช่น บริษัท Kraft ผลิตป้าย
ที่เปลี่ยนสีได้เมื่ออาหารเริ่มบูดสำหรับใส่ไว้ในบรรจุภัณฑ์ บริษัทในเนเธอร์แลนด์ทำมากไปกว่านั้นอีก ด้วยการ
ให้มีการปลดปล่อยสารรักษาอาหาร หากมีตัวบ่งชี้ว่าอาหารเริ่มมีการปนเปื้อนเชื้อโรค บริษัทแห่งหนึ่งใน
นิวซีแลนด์ได้ผลิตป้ายเปลี่ยนสีที่สามารถบอกระดับความสุกของผลไม้ได้
บรรจุภัณฑ์ทางการเกษตรอาจทำให้ฉลาดมากขึ้นไปอีก โดยการเก็บข้อมูลเข้าไปใน RFID (Radio Frequency
Identification) ซึ่งเป็นแผ่นชิพเล็กๆ ที่สามารถติดฉลากเข้าไปกับหีบห่อ ซึ่งเราสามารถเก็บข้อมูลเกี่ยวกับสินค้า
เช่น วันที่เก็บเกี่ยว วันที่เริ่มขนส่ง แหล่งผลิต ซึ่งข้อมูลสามารถใส่เข้าและอ่านออกได้ตลอดระยะทางการขนส่ง
เมื่อไปถึงห้างสรรพสินค้า ผู้ซื้อสามารถติดตามข้อมูลไปจนถึงแหล่งกำเนิดได้ ซึ่งขณะนี้สหภาพยุโรปได้เริ่มออก
ข้อกำหนดให้อาหารบางชนิดมีการเก็บข้อมูลเข้า RFID แล้ว
นาโนเทคโนโลยีกำลังจะเข้ามามีผลกระทบกับประเทศเกษตรกรรม
อย่างเรา และคงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่เราต้องครอบครองเทคโนโลยีนี้
เพราะกับแค่วัตถุดิบที่เราเป็นเจ้าของอยู่คงไม่เพียงพอที่จะทำให้เรา
เป็น “ครัวโลก” ได้
ดินแดนแห่งเกษตรกรรมที่อุดมสมบูรณ์ แม้กระทั่งทุกวันนี้ก็ยังกล่าวได้ว่า แดนดินถิ่นไทยของเราก็ยัง
เป็นประเทศเกษตรกรรมอยู่ ในอดีตอาณาจักรใดก็ตามที่มีการทำไร่ ทำนา ทำสวน และเลี้ยงสัตว์ได้ดี
จะถือว่ามีความร่ำรวย และเป็นศูนย์กลางแห่งความเจริญ ด้วยเหตุนี้พื้นที่ลุ่มน้ำที่มีความเหมาะสมแก่
การเพาะปลูกจึงมักเป็นศูนย์รวมแห่งการปกครองในอดีต จนกระทั่งมีการประดิษฐ์คิดค้นเครื่องจักร
ไอน้ำอันนำมาสู่การปฏิวัติอุตสาหกรรมเมื่อประมาณ 200 ปีที่แล้ว ทฤษฎีเศรษฐศาสตร์จึงเปลี่ยนไป ความมั่งคั่งได้ย้ายฐานไปสู่ประเทศที่มีระบบอุตสาหกรรมและมีความก้าวหน้าด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี แม้กระทั่งประเทศไทยเองซึ่งถือได้ว่ามีความมั่งคั่งในอดีตตั้งแต่ครั้งยังเป็นอาณาจักรสุโขทัยและศรีอยุธยาจนได้รับสมญานามว่า “สุวรรณภูมิ” ก็ยังถูกนิยามให้เป็นหนึ่งในประเทศยากจนที่สุดของโลกเมื่อ 50 ปีที่แล้วกลุ่มประเทศที่มีความร่ำรวยที่สุดของโลกซึ่งเรียกตัวเองว่า “G8” ล้วนเป็นประเทศที่มีความก้าวหน้าด้านอุตสาหกรรมทั้งสิ้น จนกลายเป็นคำกล่าวในเหล่าประเทศทุนนิยมว่า “ไม่มีประเทศใดร่ำรวยจากเกษตรกรรม”ซึ่งเข้าใจได้ไม่ยาก สินค้าเกษตรกรรมอย่างข้าวต้องใช้ถึง 2-3 เกวียนจึงจะสามารถนำไปแลกโทรศัพท์มือถือรุ่นดีๆได้ ทั้งที่การผลิตโทรศัพท์มือถือนั้นสามารถทำออกมาเป็นพันๆเครื่องในเวลาไม่กี่ชั่วโมงโดยแทบจะใช้เครื่องจักรเกือบทั้งหมด ……. แต่ …… ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เกษตรกรรมจะกลับมาเป็นเรื่องของไฮเทคโนโลยีและสร้างความมั่งคั่งแก่ประเทศที่ครอบครองอีกครั้ง
ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ได้เกิดศาสตร์น้องใหม่มาแรงที่เรียกว่า “เกษตรความแม่นยำสูง” (Precision Agriculture) ซึ่งได้นำเอาเทคโนโลยีหลายๆ ด้าน เช่น เทคโนโลยีสื่อสาร เทคโนโลยีสารสนเทศ เทคโนโลยีวัสดุ
เทคโนโลยีชีวภาพ เพื่อทำให้เกษตรกรรมเป็นงานที่มีความแม่นยำเช่นเดียวกับกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมในเมืองไทยเราก็เริ่มมีกลุ่มนักวิจัยรวมตัวกันทำงานในด้านนี้แล้วซึ่งนำโดยศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ หรือ NECTEC โดยนักวิชาการเมืองไทยเรียกศาสตร์นี้ว่า อะกรีทรอนิกส์ (Agritronics) ซึ่งรวมเพียงเทคโนโลยีสื่อสารและสารสนเทศเข้ามาใช้งานในทางเกษตร ในขณะที่ “เกษตรความแม่นยำสูง” จะบูรณาการเทคโนโลยีหลากหลายด้านกว่า รวมไปถึงนาโนเทคโนโลยีด้วย
เริ่มจากการทำไร่ที่มีการนำเซ็นเซอร์จิ๋วไร้สายมาใช้งานในการเก็บข้อมูลความชื้นในดิน อุณหภูมิ ปริมาณแสงซึ่งเซ็นเซอร์จิ๋วเหล่านี้สามารถนำไปวางให้ครอบคลุมพื้นที่ เซ็นเซอร์ไร้สายที่วงการอุตสาหกรรมเรียกกันว่า “ฝุ่นฉลาด” (Smart Dust) เหล่านี้สามารถคุยกันและส่งผ่านข้อมูลให้แก่กันและกันได้ หากเราสอบถามข้อมูลไปยังเซ็นเซอร์ที่อยู่ใกล้ที่สุดเพียงตัวเดียว ข้อมูลทั้งหมดของเซ็นเซอร์ทุกตัวก็จะสามารถถ่ายทอดมายังศูนย์บัญชาการของฟาร์มได้ทันที บริษัท Accenture แห่งประเทศสหรัฐอเมริกาได้สาธิตโดยการนำเอาเซ็นเซอร์จิ๋วไปโรยไว้ในไร่องุ่นสำหรับผลิตไวน์ที่ชื่อว่า Pickberry ในมลรัฐแคลิฟอร์เนีย ในแปลงสาธิตนั้นใช้เซ็นเซอร์ 17 ตัวครอบคลุมพื้นที่ซึ่งมีรูปร่างเหมือนหัวม้าจำนวน 10 ไร่ โดยสามารถคลิ๊กเพื่อเรียกดูข้อมูลได้จากเว็บ เบื้องต้นเครือข่ายเซ็นเซอร์ใช้เพื่อเก็บข้อมูลเรียลไทม์เท่านั้น แต่ต่อไปมันสามารถที่จะใช้ในการควบคุมการเปิดปิดวาล์วน้ำโดยอัตโนมัติ เพื่อให้น้ำแก่ต้นพืชในปริมาณที่เหมาะสม ซึ่งการควบคุมนี้ยังสามารถทำให้มีความสัมพันธ์กับข้อมูลพยากรณ์อากาศในท้องถิ่นด้วยก็ได้ เช่นหากทราบว่าจะมีฝนตกวาล์วน้ำจะปิด เครือข่ายเซ็นเซอร์เหล่านั้นยังอาจใช้เฝ้าระวังโรคพืช โดยตรวจจับโมเลกุลตัวบ่งชี้บางชนิดที่สื่อว่าพืชกำลังจะเป็นโรคก่อนที่จะลุกลามใหญ่โต
เซ็นเซอร์จิ๋วสามารถนำไปใช้ในการปรับปรุงผลผลิตได้ ผู้เขียนมีความคิดในการนำเซ็นเซอร์จิ๋วนี้ไปวางในไร่ชา
แถบจังหวัดเชียงราย โดยจะเก็บข้อมูลความชื้นและอุณหภูมิของแปลงชาที่แตกต่างกัน เมื่อมีการเก็บชามาแล้วก็
จะนำชามาดมกลิ่นโดยจมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Nose) เพื่อทำการจดจำและระบุกลิ่นชา ทั้งที่เป็นชาสด ชา
หมักและผ่านการชงน้ำร้อน ซึ่งจะเก็บข้อมูลแต่ละช่วงของปี แล้วทำการหาความสัมพันธ์ระหว่างข้อมูลทางด้าน
สภาพอากาศกับคุณภาพกลิ่นรสของชาที่ผลิตได้ เช่นเดียวกับที่ไร่ Pickberry ที่กล่าวมาข้างต้นนั้น เจ้าของฟาร์ม
อยากได้องุ่นที่เมื่อเก็บเกี่ยวแล้วนำไปผลิตไวน์ที่มีรสชาติดี
เซ็นเซอร์จิ๋วเหล่านี้หากนำมาใช้กันอย่างกว้างขวาง มี
การเชื่อมโยงข้อมูลจากแต่ละฟาร์มมายังผู้ให้บริการ
น้ำอย่างกรมชลประทาน ก็จะช่วยให้การจัดการน้ำ
เป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งระบบ GIS
(Geography Information Ssystem) จะช่วยให้ทราบว่า
กรมชลประทานมีน้ำพอเพียงตลอดฤดูผลิตหรือไม่
ในเรื่องของการใช้ยาปราบศัตรูพืชซึ่งเป็นหัวข้อที่
ถกเถียงกันไม่จบ จนนำมาสู่เกษตรทางเลือก เช่น
เกษตรอินทรีย์ที่จะไม่ใช้ยาฆ่าแมลง ต้องยอมรับว่า
เกษตรทางเลือกเหล่านั้นก็ยังไม่ประสบความสำเร็จใน
ระดับมหภาค ทั้งยังคงเป็นแค่แปลงทดลองที่ไม่สามารถสร้างผลผลิตให้เพียงพอในเชิงพาณิชย์ ดังนั้นการใช้ยา
ปราบศัตรูพืชก็จะยังคงมีต่อไป หากแต่ต้องทำให้ยาเหล่านั้นมีความฉลาดสักหน่อย บริษัท Syngenta ใน
สหรัฐอเมริกาได้ทดลองบรรจุฮอร์โมนเร่งการเจริญเติบโตในแค็ปซูลจิ๋ว (Microencapsulation) ซึ่งมีขนาด 200-
400 นาโนเมตร ซึ่งมีความทนทานต่อความร้อนและแรงกล เมื่อฉีดไปที่พืชก็จะค่อยๆสลายและปลดปล่อยสาร
ออกมา โดยไม่ต้องคำนึงถึงสภาพภูมิอากาศภายนอก จึงฉีดครั้งเดียวแล้วทำงานตลอดช่วงฤดูผลิต แค็ปซูลจิ๋วพวก
นี้ก็มีการนำมาบรรจุยาปราบศัตรูพืชเช่นกัน การออกแบบวัสดุที่ใช้ในการผลิตแค็ปซูลก็จะช่วยให้มันทำตามสั่ง
ได้ เช่น ออกแบบให้แค็ปซูลแตกตัวเมื่อกระทบกับใบของต้นพืชเท่านั้น ผลิตภัณฑ์ที่น่าทึ่งอีกชนิดคือ “ตัวกัด
กระเพาะแมลง” (Gutbuster) ซึ่งเป็นแค็ปซูลจิ๋วที่บรรจุโปรตีนสารพิษประเภทบีที (Bt หรือ Bacillus
thuringiensis) ซึ่งแค็ปซูลนี้จะแตกตัวเมื่อเจอกับสภาพด่างในกระเพาะแมลงปลดปล่อยสารพิษออกมาทำลาย
กระเพาะแมลงจนตาย โปรตีนสารพิษบีทีนี้จะจำเพาะเจาะจงกับแมลงบางชนิดเท่านั้น จึงไม่เป็นอันตรายต่อ
มนุษย์และปศุสัตว์ ระบบปราบศัตรูพืชนี้ยังอาจนำไปใช้งานร่วมกับเซ็นเซอร์จิ๋ว เพื่อใช้ปลดปล่อยยาปราบ
ศัตรูพืชด้วยก็ได้ ศาสตร์การทำแค็ปซูลจิ๋วจึงมีความกว้างขวางในการใช้งานมาก โดยขึ้นกับคุณสมบัติการควบคุม
การปลดปล่อยดังต่อไปนี้
• การปลดปล่อยช้า (Slow release) แค็ปซูลจะ
ค่อยๆ ปลดปล่อยสารหรือยาในระยะเวลาที่
ยาวนานพอ ทำให้มีการนำไปใช้โดยไม่เหลือทิ้ง
• การปลดปล่อยเร็ว (Quick release) แค็ปซูลแตก
ออกอย่างรวดเร็วเมื่อกระทบพื้นผิวจำเพาะ เช่น
เมื่อกระทบใบของวัชพืชเพื่อปลดปล่อยยาฆ่า
วัชพืช
• การปลดปล่อยจำเพาะ (Specific release) แค็ปซู
ลแตกออกเมื่ออยู่โมเลกุลตัวรับพบกับสารเคมี
เฉพาะ เช่นพบกับเซลล์เชื้อโรค เป็นต้น
• การปลดปล่อยด้วยความชื้น (Moisture release)
แค็ปซูลแตกออกเมื่อพบกับความชื้นหรือน้ำ เช่น การบรรจุสารอาหารให้แตกตัวออกในดิน แล้วสามารถ
ซึมซับเข้าสู่รากพืชโดยตรง
• การปลดปล่อยด้วยความร้อน (Heat release) แค็ปซูลแตกตัวออกเมื่อถึงอุณหภูมิหนึ่งเพื่อปลดปล่อย
สารทำงาน
• การปลดปล่อยด้วยสภาพกรด-ด่าง (pH release) แค็ปซูลปลดปล่อยสารออกมาเมื่อถึงระดับกรด-ด่างที่
เหมาะสม เช่น แค็ปซูลจิ๋วที่บรรจุโปรตีนสารพิษประเภทบีทีแตกตัวออกในกระเพาะแมลง
นอกจากนั้นยังมีวิธีการปลดปล่อยอื่นๆอีก แต่มักใช้ในทางการแพทย์มากกว่าในการเกษตร เช่น การปลดปล่อย
ด้วยเสียงอุลตราซาวด์ การปลดปล่อยโดยการกระตุ้นด้วยสนามแม่เหล็ก เป็นต้น กลุ่มวิจัยในเมืองไทยที่ทำงาน
วิจัยเรื่องนี้ก็มีที่ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ
ในเรื่องของปศุสัตว์นั้นสามารถนำเซ็นเซอร์ตรวจโรคมาใช้ตรวจสอบสถานะด้านสุขภาพของฟาร์ม เทคโนโลยี
ใหม่ๆทำให้การตรวจสอบสามารถทำได้ ณ ตำแหน่งใช้งาน แทนที่จะต้องนำไปทำที่ห้องปฏิบัติการ ตอนนี้เรามี
เซ็นเซอร์หลายแบบ เช่น
• Surface Plasmon Resonance (SPR) Biosensor ซึ่งตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงสมบัติการสะท้อนแสง
เมื่อมีโมเลกุลเชื้อโรคมาจับกับโมเลกุลตัวรับ ดังนั้นเราสามารถออกแบบให้ตรวจโรคใดโรคหนึ่งด้วย
การใช้โมเลกุลตัวรับที่เหมาะสม กลุ่มวิจัยในเมืองไทยที่ทำงานวิจัยเรื่องนี้ก็มีที่ศูนย์นาโนเทคโนโลยี
คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล
• Cantilever Based Sensor เป็นการนำโมเลกุลตัวรับมาติดไว้บนแผ่นกระดกจิ๋ว เมื่อมีโมเลกุลเชื้อโรคมา
จับแผ่นกระดกเล็กๆ ก็จะหนักมากขึ้นและเอียงลง ซึ่งสามารถตรวจสอบได้ด้วยแสงเลเซอร์ กลุ่มวิจัยใน
เมืองไทยที่ทำงานวิจัยเรื่องนี้ก็คือ ห้องปฏิบัติการนาโนอิเล็กทรอนิกส์และเครื่องกลไฟฟ้าจุลภาค ของ
NECTEC
• Lab on a Chip หรือ เทคโนโลยีห้องปฏิบัติการจิ๋ว ซึ่งก็คือการย่อส่วนห้องปฏิบัติการทดลองจากห้อง
ขนาด 50 ตารางเมตรลงไปอยู่ในชิพที่ปัจจุบันมีขนาดประมาณเล็บของนิ้วโป้ง และมีทีท่าว่าต่อไปขนาด
ของมันจะเล็กลงไปได้อีก ขั้นตอนการทำงานของห้องปฏิบัติการบนชิพนี้ก็เลียนแบบการทำงานของ
ห้องปฏิบัติการจริงๆนั่นเอง ตัวอย่างเช่น เมื่อใส่ตัวอย่างเข้าไปที่ช่องที่เตรียมให้ ก็จะมีปั๊มจิ๋วดูดสาร
ตัวอย่างให้ไหลมาตามท่อจิ๋วเพื่อมาผสมกับสารเคมีที่เตรียมไว้ในชิพ เมื่อผสมกันแล้วก็จะผ่านท่อไปยัง
ส่วนแยก ที่ปลายของคอลัมน์แยกก็จะมีท่อของสารเคมีอีกชนิดหนึ่งเพื่อปลดปล่อยสารให้เข้ามาผสมกัน
แล้วเกิดเป็นสีให้ผู้ใช้สามารถดูว่าเป็นโรค
อะไร โดยอาจมีท่อแยกออกไปหลายทาง
เพื่อให้ผลในลักษณะต่างๆ กัน กลุ่มวิจัย
ในเมืองไทยที่ทำงานวิจัยเรื่องนี้ก็คือ
ห้องปฏิบัติการนาโนอิเล็กทรอนิกส์และ
เครื่องกลไฟฟ้าจุลภาค ของ NECTEC
ประเทศไทยมีสัตว์เศรษฐกิจหลายชนิด เช่น ไก่ กุ้ง ซึ่งมักเกิดโรคระบาดเป็นประจำ ดังนั้นการมีระบบเฝ้าระวัง
โรคจึงเป็นเรื่องจำเป็น
นาโนเทคโนโลยียังสามารถไปเกี่ยวข้องกับขั้นตอนหลังการเก็บเกี่ยวอีกด้วย เช่น การบรรจุหีบห่อ การตรวจสอบ
เชื้อโรคในอาหาร เป็นต้น บริษัท Bayer ของเยอรมันได้ผลิตฟิล์มพลาสติกที่มีส่วนผสมของอนุภาคนาโนของดิน
(Polymer-Clay Nanocomposites) ซึ่งสามารถกันการซึมผ่านของโมเลกุลน้ำ อ็อกซิเจน ไม่ให้เข้าไปสัมผัสกับ
อาหารข้างใน โดยอนุภาคนาโนของดินนี้ได้ช่วยให้ฟิล์มพลาสติกเบาขึ้น ทนทานขึ้น และทนต่อความร้อนด้วย
ในเมืองไทยมีการวิจัยเรื่องนี้ที่สถาบันปิโตรเคมีแห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และที่ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและ
วัสดุแห่งชาติ (MTEC) ซึ่งจะมีประโยชน์ในการขนส่งผลไม้ และผลิตภัณฑ์เกษตรต่างๆ นอกจากนี้บรรจุภัณฑ์ยัง
สามารถทำให้ฉลาดมากขึ้นไปอีกด้วยการมีเซ็นเซอร์ตรวจสอบว่าอาหารจะบูดหรือไม่ เช่น บริษัท Kraft ผลิตป้าย
ที่เปลี่ยนสีได้เมื่ออาหารเริ่มบูดสำหรับใส่ไว้ในบรรจุภัณฑ์ บริษัทในเนเธอร์แลนด์ทำมากไปกว่านั้นอีก ด้วยการ
ให้มีการปลดปล่อยสารรักษาอาหาร หากมีตัวบ่งชี้ว่าอาหารเริ่มมีการปนเปื้อนเชื้อโรค บริษัทแห่งหนึ่งใน
นิวซีแลนด์ได้ผลิตป้ายเปลี่ยนสีที่สามารถบอกระดับความสุกของผลไม้ได้
บรรจุภัณฑ์ทางการเกษตรอาจทำให้ฉลาดมากขึ้นไปอีก โดยการเก็บข้อมูลเข้าไปใน RFID (Radio Frequency
Identification) ซึ่งเป็นแผ่นชิพเล็กๆ ที่สามารถติดฉลากเข้าไปกับหีบห่อ ซึ่งเราสามารถเก็บข้อมูลเกี่ยวกับสินค้า
เช่น วันที่เก็บเกี่ยว วันที่เริ่มขนส่ง แหล่งผลิต ซึ่งข้อมูลสามารถใส่เข้าและอ่านออกได้ตลอดระยะทางการขนส่ง
เมื่อไปถึงห้างสรรพสินค้า ผู้ซื้อสามารถติดตามข้อมูลไปจนถึงแหล่งกำเนิดได้ ซึ่งขณะนี้สหภาพยุโรปได้เริ่มออก
ข้อกำหนดให้อาหารบางชนิดมีการเก็บข้อมูลเข้า RFID แล้ว
นาโนเทคโนโลยีกำลังจะเข้ามามีผลกระทบกับประเทศเกษตรกรรม
อย่างเรา และคงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่เราต้องครอบครองเทคโนโลยีนี้
เพราะกับแค่วัตถุดิบที่เราเป็นเจ้าของอยู่คงไม่เพียงพอที่จะทำให้เรา
เป็น “ครัวโลก” ได้
วันพฤหัสบดีที่ 3 พฤษภาคม พ.ศ. 2555
Nano Coating ใช้กับการเคลือบสีรถได้อย่างไร ?
Nano coating คือ อะไร
อนุภาคสารประกอบโลหะ ที่เกิดกระบวนการสร้างแผ่นฟิล์มน้ำมันระหว่างโละ กับ โลหะจะแทรกตัวเติมรอยหยาบ รอยแตกของผิวโลหะและซ่อมแซมผิวทำให้เกิดผิวของสารประกอบใหม่ที่เรียบมากซึ่งจากเดิมการเสียดสีจะเกิดจากผิวคู่สัมผัส โลหะ กับ โลหะเปลี่ยนเป็นคู่สำผัสใหม่สารประกอบโลหะกับ สารประกอบโลหะ แทนที่ซึ่งทำให้เกิดแรงเสียดทานต่ำตามหลักไทรโบโลยี
อนุภาคสารประกอบโลหะ ที่เกิดกระบวนการสร้างแผ่นฟิล์มน้ำมันระหว่างโละ กับ โลหะจะแทรกตัวเติมรอยหยาบ รอยแตกของผิวโลหะและซ่อมแซมผิวทำให้เกิดผิวของสารประกอบใหม่ที่เรียบมากซึ่งจากเดิมการเสียดสีจะเกิดจากผิวคู่สัมผัส โลหะ กับ โลหะเปลี่ยนเป็นคู่สำผัสใหม่สารประกอบโลหะกับ สารประกอบโลหะ แทนที่ซึ่งทำให้เกิดแรงเสียดทานต่ำตามหลักไทรโบโลยี
การเคลือบนาโน (Nano Coating)
ข้อดีของการเคลือบนาโน (Nano Coating)ทำให้ไม่มีสารเคมีตกค้างในอากาศ เป็นการช่วยรักษาสภาพแวดล้อม(และช่วยลดอันตรายแก่ช่างที่ทำงานอยู่ในอู่เองอีกด้วย)การเคลือบนาโน (Nano Coating)แต่ละชั้นก็มีหน้าที่แตกต่างกันออกไป
ชั้นที่1
ทำหน้าที่กันสนิม (Rust Proofing)เป็นชั้นที่ต้องอยู่ติดกับเนื้อเหล็กของตัวถังจะเป็นสารฟอสเฟตประเภท Zinc Phosphateและนอกจากจะช่วยกันสนิมแล้ว มันยังเป็นรองพื้นให้แก่สีในชั้นต่อๆไปเคลือบด้วยเทคนิคการใช้กระแสไฟฟ้าสถิต (Electrostatic)มีความหนาประมาณ 20 ไมโครเมตร
ชั้นที่2
ทำหน้าที่ป้องกันการกระแทกของก้อนหินที่อาจกระเด็นมาโดนและทำให้ผิวของโลหะเรียบมากยิ่งขึ้นเราเรียกชั้นนี้ว่า Fillerมีส่วนผสมของสารละลายอินทรีย์ (Organic Solvent)และมีความหนาประมาณ 25 ไมโครเมตร
ชั้นที่3
เป็นชั้นของเม็ดสีตามที่เราต้องการเลือกเป็นแบบประกาย Metallicก็จะมีการผสมผงอะลูมิเนียมลงไปด้วยในเนื้อสีเพื่อให้เกิดประกาย
ชั้นที่4
จะเคลือบด้วยสารละลายใสคล้ายแล็กเกอร์ (Lacquer)มีความหนาประมาณ40 ไมโครเมตรเพื่อทำให้เกิดความมันเงาและสมบุกสมบัน ป้องกันทุกสภาพอากาศที่เปลี่ยนแปลง(Weather Proof) อุณหภูมิ แสงอาทิตย์การกัดกร่อนจากสารเคมีต่างๆเช่น ฝนกรด ยางจากต้นไม้ ฝุ่น ไอระเหยหรือแม้แต่อุจจาระนก ก็ป้องกันได้
Credit : http://nano-group16.blogspot.com/
สมัครสมาชิก:
บทความ (Atom)