วัสดุนาโน
Nanomaterials
สามารถปฏิวัติงานทางด้านวัสดุศาสตร์ให้เกิดประโยชน์อย่างมหาศาล คุณสมบัติของวัสดุนาโนมีการ
เปลี่ยนแปลงไปจากคุณสมบัติเดิมของวัสดุนั้นๆ คุณสมบัติที่เปลี่ยนแปลงดังกล่าว ถูกนำมาใช้
ประโยชน์ในด้านวิศวกรรมศาสตร์ แพทยศาสตร์ วัสดุศาสตร์ วิทยาศาสตร์พื้นฐาน และวิทยาศาสตร์
ประยุกต์ อย่างไรก็ตามวัสดุนาโนอาจจะทำให้เกิดผลกระทบในหลายด้าน ซึ่งเราสามารถป้องกันไว้
ก่อนได้ โลกในอนาคตจะให้ความสำคัญต่อศาสตรแห่งนาโนยิ่งขึ้น
วัสดุนาโน (nanomaterials) เป็นวัสดุที่กำลังดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก
ในช่วงทศวรรษนี้อย่างมากมาย และเป็นไปด้วยความรวดเร็วอย่างที่วัสดุอื่นๆ ไม่เคยได้รับมาก่อน
สาเหตุสำคัญอาจจะเนื่องมาจากศักยภาพของวัสดุนาโนที่สามารถทำการปฎิวัติงานด้านวัสดุศาสตร์ให้
เกิดขึ้นและนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างมหาศาล โดยผ่านโครงสร้างในระดับอะตอมซึ่งเป็นตัวควบคุม
สมบัติทางด้านวิศวกรรมศาสตร์ สมบัติทางฟิสิกส์และทางเคมี เช่น สภาพแม่เหล็ก ตัวกระตุ้นปฎิกิริยา
(catalysis) หรือพฤติกรรมทางแสง เป็นต้น นอกจากนี้ยังทำให้เกิดการพัฒนา เทคโนโลยีด้านต่างๆ
เช่น ด้านอิเล็กทรอนิกส์ เซรามิกส์ ตัวเก็บข้อมูลแม่เหล็ก (magnetic data storage) รวมทั้งพฤติกรรมเชิงกลของวัสดุก่อรูปพลาสติกยิ่งยวด (superplastic) ตลอดจนวิทยาศาสตร์และวิทยาการด้านอื่นๆมากมาย การพัฒนาโครงสร้างนาโนของวัสดุก่อให้เกิดคำถามที่เพิ่มขึ้นอย่างมากมายว่าทำไม
คุณสมบัติต่างๆ ของวัสดุจึงเปลี่ยนแปลงไปเมื่อลดสเกลโครงสร้างจากระดับไมโครสเกล(10-6เมตร)
ลงสู่ระดับนาโนสเกล(10-9เมตร) เช่น มีค่าความเครียดเชิงกลสูงขึ้น (mechanical strength) การกระจายแสงเพิ่มขึ้น ค่าความร้อนจำเพาะสูงขึ้น และสภาพความต้านทานไฟฟ้าเปลี่ยนไป เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุเดิมของตัวมันเอง
วัสดุนาโนสามารถจะจัดแบ่งได้เป็นผลึกนาโน (nanocrystalline) และอนุภาคนาโน
(nanoparticle) โดยที่ก้อนหรือปริมาตรของผลึกนาโนซึ่งประกอบด้วยเม็ดผลึก (grain sizes) ที่มีขนาดช่วงสเกลการวัดอยู่ในระดับนาโน ถึงประมาณ 100 นาโนเมตร แต่ขณะที่อนุภาคนาโน มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 100 นาโนเมตร ดังนั้นก้อนหรือปริมาตรของวัสดุที่เป็นผลึกนาโนจึงประกอบขึ้น
หรือเกิดจากการรวมกลุ่มกันของอนุภาคนาโนนั่นเอง การศึกษาค้นคว้าวิจัยทางด้านวัสดุนาโนต้องใช้
ความพยายามสูง มีความเกี่ยวข้องกันในหลายๆ สหสาขาวิชา รวมทั้งปฏิสัมพันธ์ของนักวิจัยในสาขา
ต่างๆ เช่น ฟิสิกส์ เคมี วิศวกรรมศาสตร์ และวัสดุศาสตร์ หรือแม้กระทั่งชีววิทยา และการแพทย์
งานวิจัยวิทยาศาสตร์พื้นฐานของวัสดุนาโนเป็นสิ่งสำคัญที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจเช่นกัน มี
ความคิดเห็นหลายประเด็นที่จะกล่าวถึง ศักยภาพของวัสดุนาโนที่มีประโยชน์อย่างมากมาย เช่น
ในทางอุตสาหกรรม การสังเคราะห์วัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูง การเพิ่มคุณค่าทางเศรษฐกิจและสภาพแวดล้อม คุณลักษณะเฉพาะของโครงสร้างใหม่และคุณสมบัติต่างๆ ของวัสดุนาโน การเตรียมผลิตภัณฑ์จากอนุภาคนาโนที่มีความหนาแน่นสูงและมีสิ่งเจือปนต่ำ และการเก็บรักษาสภาพ
รายละเอียดของเม็ดผลึกเพื่อดำรงไว้ซึ่งคุณสมบัติเชิงกลที่มีความสัมพันธ์กับขนาดสเกลในระดับ
นาโน เทคโนโลยีสำหรับเตรียมอนุภาคนาโนมีหลากหลายแนวทาง เช่น เตรียมจากกระบวนการ
ไอระเหย เตรียมจากของเหลวหรือของแข็ง การสังเคราะห์อนุภาคนาโนโดยเทคนิคไอระเหยมีหลาย
วิธี อาจเตรียมจากการเคลือบหรือตกตะกอนไอระเหยทางฟิสิกส์ (physical vapor deposition, PVD)การเคลือบหรือตกตะกอนไอระเหยทางเคมี (chemical vapor deposition, CVD) กระบวนการเตรียมอนุภาคนาโนจากของเหลวจะเกี่ยวข้องกับวิธีการโซลเจล (sol-gel) และสารละลายเคมี กระบวนการเตรียมอนุภาคนาโนจากของแข็งสามารถเตรียมจากการบด การขัดสี หรือการสังเคราะห์ทางเคมีเชิงกล(mechanochemical) แต่ละวิธีที่กล่าวถึงจะมีประโยชน์และข้อบกพร่องเป็นลักษณะเฉพาะของตนเองสำหรับการเตรียมผงแป้งนาโนที่มีปริมาณมากๆ วิธีการที่นิยมใช้ทั่วไปคือ กระบวนการบดหรือการขัดสีเชิงกล และการฉีดพ่นละอองสาร (spraying) อนุภาคนาโนที่ได้จากการสังเคราะห์จากหลายๆวิธีการอาจจะมีโครงสร้างภายในที่แตกต่างกันซึ่งจะมีผลกระทบต่อคุณสมบัติของวัสดุที่เป็นของแข็งกระบวนการเตรียมอนุภาคนาโนให้มีความหนาแน่นมาก เป็นก้อนขนาดใหญ่ หรือเคลือบให้มีความหนาของเม็ดผลึกอยูในระดับนาโนค่อนข้างลำบากและยุ่งยากมากในทางปฏิบัติ เนื่องจากอนุภาคนาโนมีพื้นที่ผิวจำเพาะสูง มีความไวต่อปฏิกิริยาสูง และมีการเกาะกลุ่มกันอย่างแข็งแรงเหนียวแน่นนอกจากจากนั้นการสังเคราะห์ของอนุภาคนาโนมักจะเกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิค่อนข้างสูง ดังนั้นการควบคุมปัจจัยต่างๆ ในระหว่างการสังเคราะห์และผลลัพธ์ของกระบวนการต่างๆ จึงเป็นสิ่งท้าทายที่ยิ่งใหญ่ของนักวิจัยและนักวิทยาศาสตร์ ความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างกระบวนการเตรียม
โครงสร้างและคุณสมบัติต่างๆ เป็นสิ่งจำเป็นต่อการพัฒนาวัสดุนาโนชนิดใหม่ๆ ที่มีคุณสมบัติ
โครงสร้าง และการใช้งานในด้านต่างๆ ตามคุณสมบัติอันหลากหลายตามธรรมชาติของวัสดุนาโนใน
แต่ละชนิดนั้นๆ
โครงสร้างนาโน (Nanostructure)
คุณลักษณะเฉพาะที่สำคัญมากอย่างหนึ่งของอนุภาคนาโนก็คือ มีอัตราส่วนระหว่างพื้นที่ผิว
และปริมาตรค่อนข้างสูง สัดส่วนพื้นที่ผิวของอะตอมที่สูงมากดังกล่าวทำให้อนุภาคนาโนมีคุณสมบัติ
ที่แตกต่างไปจากก้อนปริมาตรของวัสดุในขนาดใหญ่ การเตรียมอนุภาคนาโนจากสถานะไอระเหย
และของเหลวมีกระบวนการที่เกี่ยวข้อง 3 ขั้นตอน คือ การก่อตัว (nucleation) การเกาะกลุ่ม
(coalescence) และการเติบโต (growth) อนุภาคนาโนจะเริ่มเกิดจากการการก่อตัวจากแก่นกลาง
จากนั้นจึงค่อยๆ เกาะกลุ่ม และรวมตัวกันเกิดเป็นกลุ่มก้อนใหญ่ขึ้น ด้วยเหตุนี้อนุภาคนาโนหลายๆ
อนุภาคจะถูกสร้างขึ้นอย่างสม่ำเสมอจากกลุ่มอะตอมเรียงตัวกันเป็นรูปแบบกล่องลูกบาศก์ หรือ
โครงสร้างรูปหกเหลี่ยมแบบปิดชนิดต่างๆ ซึ่งโครงสร้างหนึ่งๆ อาจจะเกิดจากการก่อตัวรอบๆอะตอม
แก่นกลางอะตอมหนึ่ง โดยในชั้นแรกมี 12 อะตอม ชั้นที่สองมี 42 อะตอม และชั้นที่ 3 มี 92 อะตอม
เป็นต้น จำนวนอะตอมในแต่ละชั้นจะถูกกำหนดโดยตัวเลข 10n2+2 สามารถแสดงให้เห็นได้
ดังตารางที่ 1
ตารางที่ 1 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนอะตอมทั้งหมดในกลุ่มและเปอร์เซ็นต์พื้นผิว อะตอม
วัสดุผลึกนาโน สามารถจัดแบ่งออกเป็นหลายกลุ่มขึ้นอยู่กับทิศทาง หรือมิติของผลึก คือ
1. กลุ่มอะตอมมิติศูนย์(zero-dimensional atom clusters)
2.โครงสร้างเนื้อเยื่อหลายชั้น 1 มิติ (onedimensional
modulated multilayers)
3.โครงสร้างเนื้อเยื่อละเอียดหลายชั้น 2 มิติ (two-dimensional
ultrafine-grained overlayers)
4.โครงสร้างผลึกนาโน 3 มิติ (three-dimensional nanocrystalline
structure) วัสดุผลึกนาโนอาจประกอบไปด้วยผลึก กึ่งผลึก(quasi-crystalline) และ
สถานะอสัญฐาน(amorphous phase) หรือแก้วนาโน ( nanoglasses) วัสดุผลึกนาโนอาจจะเป็นโลหะ กึ่งโลหะ (intermetallics) เซรามิกซ์ หรือวัสดุประกอบ (composites) วัสดุผลึกนาโนยังสามารถแบ่งออกเป็น 12 กลุ่ม ตามรูปร่าง(มิติ) และองค์ประกอบทางเคมีของธาตุที่ประกอบเป็นโครงสร้าง
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น