นาโนเทคโนโลยี -- ประวัติศาสตร์ของนาโนเทคโนโลยี

นาโนเทคโนโลยี

หน่วยที่ 1: ประวัติวิทยาศาสตร์ระดับนาโน

ยุคก่อนคริสตกาล - ยุคศตวรรษที่ 18

วิทยาศาสตร์ระดับนาโน (nanoscience) นั้น ที่จริงแล้วไม่ใช่ความรู้ใหม่ที่เพิ่งจะมีการนำมาใช้ประโยชน์กับเทคโนโลยีการผลิตในช่วงตอนปลายศตวรรษที่ 20 นี้แต่อย่างใด เพราะมนุษย์เคยมีการนำมาใช้แล้วในอดีตตั้งแต่สมัยยุคโรมันอันรุ่งเรือง หากแต่ในสมัยก่อนยังไม่มีความรู้หรือความเข้าใจอย่างถ่องแท้ในเรื่องเกี่ยวกับกระบวนการจัดการ หรือผลิตวัสดุต่างๆ ในระดับนาโน โดยได้หารู้ไม่ว่าสิ่งของที่พวกเขาได้ผลิตขึ้นมาเป็นพิเศษสำหรับเป็นของใช้ของกษัตริย์หรือชนชั้นสูงนั้น ล้วนแล้วแต่เป็นการสร้างหรือการผลิตที่เกิดขึ้นในระดับนาโนมาแล้วทั้งนั้น หรือแม้แต่สิ่งของที่นำมาใช้ประดับตามโบสถ์หรือวิหารต่างๆ ก็มีกระบวนการผลิตในระดับนาโนมาเกี่ยวข้อง

ด้วยความก้าวหน้าทั้งทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในปัจจุบัน ทำให้การพัฒนาทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโนเป็นไปอย่างรวดเร็ว จากการศึกษาค้นคว้าของเหล่านักวิทยาศาสตร์จากทั่วทุกมุมโลก ทำให้ได้มีการประดิษฐ์เครื่องมือและอุปกรณ์ที่จำเป็นต่อการศึกษาทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโนขึ้นมา ตัวอย่างเช่น การประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์แบบต่างๆ ได้แก่ scanning tunneling microscope (STM) และ atomic force microscope (AFM) เป็นต้น ทำให้การศึกษาทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโนในปัจจุบัน สามารถทำได้โดยง่ายและมีความสะดวกมากยิ่งขึ้น ซึ่งก็เป็นผลอันสืบเนื่องมาจากการพัฒนามาตั้งแต่ยุคอดีต


ถ้วยโบราณ lycurgus		ผลึกนาโนของธาตุทองคำ

บันทึกข้อมูลทางโบราณคดีแสดงให้เห็นถึงร่องรอยของการใช้วิทยาศาสตร์ระดับนาโนในสมัยโบราณ สิ่งหนึ่งที่มนุษย์เป็นผู้สร้างขึ้นมาและมีชื่อเสียงมากในยุคสมัยนั้น ได้แก่ ถ้วยโบราณไลเคอร์กัส (lycurgus) ซึ่งปัจจุบันถูกแสดงอยู่ที่พิพิธภัณฑ์แห่งชาติในกรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ ถ้วยโบราณ ไลเคอร์กัสนี้ถูกสร้างขึ้นมาในยุคคริสตศตวรรษที่ 4 จากกระจกและอินทผลัม (dates) (ส่วนที่เป็นการชุบทองและการเลี่ยมทองเป็นการทำเพิ่มเติมภายหลัง) ถ้วยนี้มีคุณสมบัติพิเศษคือสามารถที่จะเปลี่ยนสีเองได้ โดยเปลี่ยนจากที่มีสีเขียว (เมื่อได้รับแสงสว่างจากทางด้านนอก) กลายเป็นมีสีแดง (เมื่อให้แสงสว่างจากทางด้านใน) จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (transmission electron microscope) ทำให้ทราบสาเหตุของการเปลี่ยนสีได้นี้ว่า ถ้วยโบราณนี้มีการบรรจุอนุภาคนาโนของธาตุทองคำและธาตุเงินอยู่ภายในเนื้อถ้วยเต็มไปหมด ซึ่งส่วนประกอบโครงสร้างของวัตถุที่เป็นอนุภาคที่มีขนาดในระดับนาโนนี้ ทำให้ถ้วยแสดงคุณสมบัติที่พิเศษแตกต่างออกไป (ก็คือสามารถมองเห็นการเปลี่ยนแปลงสีได้) ซึ่งคุณสมบัติที่พิเศษนี้ชาวโรมันโบราณได้สร้างขึ้นมาด้วยความไม่ได้ตั้งใจ แล้วในขณะนั้นก็ไม่ได้ทราบว่าส่วนประกอบที่ผลิตขึ้นมานั้นเป็นโครงสร้างในระดับนาโนแต่อย่างใด (เพราะยุคสมัยนั้นก็คงยังไม่ได้มีคำว่า "นาโน" ใช้อย่างแน่นอน)


ศิลปะสมัยก่อนที่ใช้กระจกโมเสคที่มีส่วนผสมของผลึกระดับนาโน ที่ทำให้เกิดสีสันต่างๆ นำมาใช้ในการสร้างประตู หน้าต่าง หรือฝ้าเพดาน เพื่อประดับตกแต่งโบสถ์และวิหาร

ถึงแม้ว่าในสมัยโบราณนักศิลปะหรือศิลปินต่างๆ ยังไม่ได้ตระหนักถึงสาเหตุของการเกิดสีต่างๆ ได้ของกระจกโมเสค แต่แท้ที่จริงแล้ววิธีการผลิตกระจกโมเสคที่เหล่าศิลปินเลือกใช้ ก็เป็นกระบวนการผลิตที่ใช้ความรู้วิทยาศาสตร์ระดับนาโนเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย เพื่อสร้างขึ้นมาประดับโบสถ์หรือวิหารในสมัยนั้น โดยจากการศึกษาพบว่าสีแดงทับทิมที่เกิดขึ้นของกระจกโมเสคนั้น เกิดจากอนุภาคนาโนของธาตุทองคำที่ถูกใช้ฝังตัวผสมอยู่กับเนื้อกระจก เช่นเดียวกันกับสีเหลืองเข้มที่เกิดขึ้นจากอนุภาคนาโนของธาตุเงินที่อยู่ในเนื้อกระจกเหมือนกัน ซึ่งขนาดระดับนาโนของอนุภาคที่เป็นโลหะเหล่านี้ ทำให้กระจกโมเสค เกิดคุณสมบัติการแสดงออกของสีที่หลากหลายแตกต่างกันออกไป


เครื่องปั้นดินเผาที่ใช้ผลึกนาโนเป็นส่วนผสมในการสร้างขึ้นมา

งานฝีมือเกี่ยวกับเครื่องปั้นดินเผาที่มีสีสันต่างๆ ในช่วงศตวรรษที่ 15 ถึงศตวรรษที่ 16 นั้น เป็นยุคต้นของเครื่องปั้นดินเผาที่ใช้วิทยาศาสตร์ระดับนาโนเข้ามาเกี่ยวข้องในกระบวนการผลิต อย่างเช่น งานเซรามิกเดอรูตา (deruta) เป็นเครื่องปั้นดินเผาที่มีลักษณะเป็นสีที่สุกใส มันวาว คล้ายกับเป็น โลหะขัดให้ขึ้นเงา ซึ่งในสมัยนั้นมีการผลิตขึ้นมาใช้กันอย่างแพร่หลายทั่วทั้งทวีปยุโรป และจากการศึกษาพบว่าความมันเงาที่เป็นสีแดงและสีทองของเนื้อผิวเซรามิกนี้นั้น เป็นผลที่เกิดขึ้นมาจากอนุภาคนาโนของธาตุทองแดงและธาตุเงินที่มีขนาดของอนุภาคอยู่ในช่วงระหว่าง 5 - 100 นาโนเมตรที่ถูกใช้ผสมอยู่ภายในเนื้อเซรามิก และอนุภาคระดับนาโนเหล่านั้นก็เป็นสาเหตุที่ทำให้เซรามิกเดอรูตาเกิดคุณสมบัตินี้ได้ โดยที่มันจะทำให้เกิดการกระเจิงของแสงเมื่อมีแสงมาตกกระทบกับพื้นผิวเซรามิก และทำให้แสงที่สะท้อนออกไปนั้นมีหลายความยาวคลื่นแตกต่างกัน จึงทำให้เซรามิกนี้มีคุณลักษณะมันวาวคล้ายโลหะและมีสีสันสุกใส