|
นาโนเทคโนโลยี หน่วยที่ 2: ทำความรู้จักกับนาโนเทคโนโลยี ความพิเศษของโลกนาโน |
|
|
|
|
|
|
เมื่อโครงสร้างวัตถุถูกทำให้เล็กจนอยู่ในระดับนาโน จะส่งผลให้คุณสมบัติพื้นฐานทางไฟฟ้าของวัสดุนั้นแตกต่างออกไปจากที่เคยเป็นอยู่เดิม ตัวอย่างเช่น เมื่อวัตถุมีโครงสร้างอยู่ในระดับนาโนแล้ว วงจรไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในโครงสร้างนั้นไม่จำเป็นต้องเป็นไปตามกฎของโอห์ม (Ohm's law) ซึ่งกฎของโอห์มเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้า (I) แรงเคลื่อนไฟฟ้าของต้นกำเนิดไฟฟ้า (V) และความต้านทานไฟฟ้า (R) แต่หัวใจสำคัญของกฎของโอห์มมีพื้นฐานมาจากแนวคิดที่ว่า อิเล็กตรอนไหลผ่านไปตามสายไฟฟ้าในลักษณะที่เป็นกระแส แต่ในโครงสร้างระดับนาโนนั้นอิเล็กตรอนไม่ได้เคลื่อนที่โดยไหลเป็นกระแสเช่นเดิม เพราะถ้าหากสายไฟฟ้ามีขนาดความกว้างอยู่ในระดับนาโนเมตรแล้วนั้น อิเล็กตรอนจะต้องไหลไปตามสายไฟฟ้าจากอะตอมหนึ่งไปอีกอะตอมหนึ่งในปริมาตรที่ถูกจำกัด ซึ่งจะต้องทำให้เกิดสมบัติทางไฟฟ้าที่แตกต่างออกไปจากเดิมอย่างแน่นอน
|
|
|
ท่อนาโนคาร์บอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1 นาโนเมตร ทำให้เกิดคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่แตกต่างไป โดยใช้ทำหน้าที่เป็นสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสอง
|
|
|
สมบัติในการเป็นตัวนำ เป็นสารกึ่งตัวนำ หรือเป็นฉนวน ของวัสดุที่ใช้เป็นโครงสร้างทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของอะตอมที่อยู่ภายในวัสดุ และลักษณะการจัดเรียงตัวของอะตอมเหล่านั้น โดยที่วัสดุระดับนาโนทุกประเภทจะมีมิติทางกายภาพ อย่างน้อยหนึ่งมิติที่ถูกจำกัดขนาดเอาไว้ จึงทำให้เป็นการบีบบังคับให้อิเล็กตรอน ในวัสดุนาโนสามารถเคลื่อนที่ได้ในปริมาตรที่จำกัดเท่านั้น จึงทำให้ปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่เป็นการจำกัดบริเวณของอิเล็กตรอนไว้ (quantum confinement) ปรากฎออกมาให้เห็นอย่างชัดเจน โดยที่ปรากฏการณ์ดังกล่าวไม่เคยเกิดขึ้นหรือเกิดขึ้นน้อยมากในวัสดุขนาดปกติ |
|
นอกจากนี้ขนาดและการจัดเรียงตัวในโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ ยังมีผลต่อสภาพการนำไฟฟ้าของโลหะด้วย โดยโลหะขนาดใหญ่จะมีแถบการนำ (conduction band) ที่เกิดจากการจัดเรียงระดับชั้นพลังงานที่มาประกอบกันต่อเนื่องกันไป แต่เมื่อโลหะมีขนาดอนุภาคเล็กลงจะทำให้ฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนวงนอกสุด เริ่มถูกกักขังอยู่ในบริเวณที่จำกัด ซึ่งจะส่งผลให้ระดับชั้นพลังงานต่างๆ ถูกแยกออกเป็นชั้นเดี่ยวๆ อย่างชัดเจน คล้ายกับระดับชั้นพลังงานของอะตอมเดี่ยว จึงส่งผลให้สมบัติทางไฟฟ้าของโลหะ มีการเปลี่ยนแปลงระหว่างการเป็นโลหะกับเป็นฉนวน ซึ่งสมบัติจะเป็นแบบใดนั้นขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาค เช่น กลุ่มอะตอมโลหะที่ประกอบตัวกันจำนวน 13 อะตอมนั้นจะไม่มีสมบัติในการเป็นโลหะแต่อย่างใด แต่เมื่อกลุ่มอะตอมโลหะรวมตัวกันมีขนาดใหญ่ขึ้น เช่นมีอะตอมมากกว่า 309 อะตอมขึ้นไป จะทำให้กลุ่มอะตอมโลหะนั้นมีสมบัติเหมือนกับโลหะขนาดใหญ่ปกติ |
|
|
|
|
สภาพพลาสติกพิเศษ (superplastics) จะเกิดขึ้นกับวัตถุที่มีขนาดเกรนในระดับนาโนเมตร โดยพบว่าอนุภาคระดับนาโนของวัตถุจะมีสภาพของการถูกยืด หรือทำให้ผิดรูปได้มากขึ้นกว่าเดิมอย่างมาก (ประมาณได้ว่าจาก 100 % ขยายไปจนถึง 1000 %) โดยวัตถุจะมีอุณหภูมิบริเวณพื้นผิวที่ลดต่ำลงมาก แต่จะมีอัตราความเครียดของวัตถุที่เพิ่มมากขึ้น จากการศึกษาพบว่าโครงสร้างของผลึกระดับนาโนจะสามารถมีสภาพเป็นพลาสติกพิเศษได้ เมื่ออยู่ในช่วงอุณหภูมิสูงประมาณ 400 – 500 องศาเซลเซียส ตัวอย่างเช่น ผลึกนาโนของนิกเกิล ผลึกนาโนของอะลูมิเนียมอัลลอยด์ เป็นต้น |
|
![](../Picture/SuperPlastic_Nanotube.jpg) |
คุณสมบัติความเป็นพลาสติกพิเศษ (superplastic) ของท่อนาโนคาร์บอน ภายใต้อุณหภูมิสูงๆ โดยที่มีความยาวเริ่มต้น 24 nm เส้นผ่านศูนย์กลาง 12 nm (รูป A) และสามารถมีความเครียดที่เพิ่มขึ้นได้ จนกระทั่งยืดยาวได้เรื่อยๆ จนถึง 91 nm เส้นผ่านศูนย์กลางลดลงเหลือ 0.8 nm (รูป D) ซึ่งสามารถยืดขยายได้มากขึ้นถึง 280 % |
|
|
|
|
โดยทั่วไปสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุนั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างของวัสดุ และลักษณะการจับเรียงตัวของอะตอมของธาตุที่ประกอบกันขึ้นเป็นวัสดุ สารที่มีสภาพเป็นแม่เหล็กนั้นเป็นผลมาจากการสปินภายนอก [โมเมนตัมเชิงมุม (angular momentum) ที่เกิดจากการเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสของอิเล็กตรอน] และสปินภายในที่เกิดจากการหมุนรอบตัวเองของอิเล็กตรอน โดยที่อิเล็กตรอนจะมีการสปินเป็นแบบ ขึ้น หรือ ลง เท่านั้น จึงทำให้อิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นขั้วแม่เหล็กคู่ (magnetic dipole moment) ขนาดเล็ก โดยสารที่มีสภาพเป็นแม่เหล็กเกิดจากการที่อะตอมของสารมีจำนวนอิเล็กตรอนกลุ่มที่มีสปินขึ้นไม่เท่ากับพวกที่มีสปินลง ทำให้ค่าโมเมนตัมเชิงมุมหรือโมเมนต์แม่เหล็กมีค่าไม่เป็นเป็นศูนย์ ซึ่งจะเกิดขึ้นได้เฉพาะ ในกรณีที่อะตอมมีจำนวนอิเล็กตรอนไม่เต็มชั้นพลังงานย่อยเท่านั้น และเมื่อสสารและวัสดุต่างๆ มีขนาดโครงสร้างอยู่ในระดับนาโนนั้น จะมีสมบัติทางแม่เหล็กแตกต่างออกไปจากวัสดุขนาดใหญ่ อันเป็นผลมาจากคุณสมบัติทางควอนตัมนั่นเอง |
|
ตัวอย่างของสมบัติทางแม่เหล็กที่เปลี่ยนไปของโครงสร้างที่มีขนาดระดับนาโน ตัวอย่างเช่น เมื่ออะลูมิเนียมมีโครงสร้างขนาดเล็กในระดับนาโนเมตรนั้น จากโดยปกติในสภาพของวัตถุขนาดใหญ่จะไม่มีสมบัติทางแม่เหล็กเลย แต่เมื่ออยู่ในระดับนาโนเมตรแล้วพบว่ากลุ่มอะตอมอะลูมิเนียมจำนวน 13 อะตอมที่มีขนาดประมาณ 1 นาโนเมตรนั้นกลับมีการจัดเรียงตัวของอะตอม และการจัดตัวของอิเล็กตรอนภายในอะตอมขึ้นในสภาพเป็นสารแม่เหล็กได้ |
|
![](../Picture/Magnetics_nanocrystal(pic).jpg) |
ผลึกนาโนแม่เหล็ก (magnetic nanocrystals) |
|
![](../Picture/Magnetics_nanocrystal(pic2).jpg) |
การเกิดสภาพความเป็นแม่เหล็กของผลึกนาโนเมื่อนำแม่เหล็กมาวางทดสอบไว้ใกล้ๆ จึงทำให้สามารถแยกผลึกนาโนออกจากสารละลายได้
|
|