|
นาโนเทคโนโลยี หน่วยที่ 6: นาโนเทคโนโลยียุคอนาคต(3) |
|
|
|
|
แนวคิดในการสร้างวัสดุอัจฉริยะ (smart materials) ในปัจจุบัน ก็มีความพยายามที่ใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีระดับนาโนในการผลิตขึ้นมาใช้งาน ซึ่งในปัจจุบันนี้วัสดุอัจฉริยะได้เข้ามามีบทบาทที่เกี่ยวข้องกับการดำเนินชีวิตของเราแล้วบ้าง (แต่ก็อาจจะยังอยู่ในระดับไมโครเมตร) แต่ก็สามารถคาดการณ์ได้ว่าในอนาคตอาจจะมีการสร้างหรือผลิตวัสดุอัจฉริยะระดับนาโน เพื่อนำมาใช้งานในท้องตลาดกันอย่างแพร่หลายมากขึ้นในหลากหลายประเภท |
|
วัสดุอัจฉริยะระดับเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างระดับนาโน ที่ทำหน้าที่อย่างเฉพาะเจาะจงได้ตรงตามเป้าหมายที่ถูกกำหนดไว้อย่างถูกต้องแม่นยำ สามารถที่จะรับรู้และปรับเปลี่ยนคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุได้ตามแต่ละสถานการณ์ที่เปลี่ยนแปลงไป ด้วยกระบวนการการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นฐานตามสิ่งเร้าที่มาสัมผัสหรือตามสภาพแวดล้อม ณ ช่วงหนึ่งๆ ที่สัมผัสได้ เช่น อาจกำหนดให้เกิดการปรับเปลี่ยนคุณสมบัติตามสภาพอากาศ อุณหภูมิ ความดัน สภาพความชื้น ค่าความเป็นกรดเป็นเบส ปริมาณของแสงที่ได้รับ เป็นต้น โดยการปรับเปลี่ยนที่จะเกิดขึ้นนั้นเป็นการกำหนดให้เกิดขึ้นกับโครงสร้างภายในโมเลกุล หรืออะตอมที่ถูกจัดเรียงตัวกันที่สามารถรับรู้ต่อสิ่งนั้นได้นั่นเอง ตัวอย่างเช่น แว่นตาที่ใช้เลนส์ที่สามารถเปลี่ยนสีได้ สามารถปรับความเข้มและความสว่างของแสงได้ตามตัวรับสัมผัส(sensor)บนเลนส์ของแว่นตา โดยจะทำให้เลนส์มีความทึบแสงหรือสว่างใสได้ตามต้องการ หรือตามสภาพแวดล้อมที่ถูกหนดไว้ ซึ่งเลนส์บางของแว่นตานี้จะถูกเคลือบด้วยฟิล์มบางที่มีขนาดระดับนาโนหรือนาโนฟิล์ม (nanofilm) ที่สามารถปรับโครงสร้างของผลึกนาโนที่จัดเรียงตัวกันบนพื้นผิวแผ่นฟิล์มได้ ตามแสงหรือสภาพแวดล้อมที่มากระตุ้นนั่นเอง |
|
หากพิจารณาหลักการสร้างวัสดุอัจฉริยะตามแนวทางการใช้งานเชิงกลแล้ว อาจกล่าวได้ว่าวัสดุอัจฉริยะจะมีความสามารถทางด้านงานเชิงกลได้จะต้องประกอบไปด้วยวัสดุอย่างน้อย 2 ประเภท ได้แก่
คือวัสดุที่มีความไวในการตรวจจับสัญญาณที่มาจากสิ่งเร้า และพลังงานประเภทต่างๆ ที่มากระตุ้นอย่างแม่นยำ ไม่ว่าจะเป็นลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แรงสั่นสะเทือน อุณหภูมิ แรงดัน สารเคมี สารชีวภาพ หรือการแผ่รังสี เป็นต้น
|
|
|
|
ตัวอย่างแนวคิดเกี่ยวกับตัวรับสัมผัสระดับนาโนที่จะะนำมาใช้ในการประกอบเป็นวัสดุอัจฉริยะ |
|
|
![](../Picture/Actuator_text.jpg) คือวัสดุที่สามารถตอบสนองต่อสิ่งเร้าที่มากระตุ้นได้ (หรือเมื่อได้รับสัญญาณจากตัวรับสัมผัส) โดยการแสดงออกในรูปแบบของการทำงานด้วยการเคลื่อนไหว (โดยทั่วไปจะทำงานควบคู่กับวัสดุที่เป็นตัวรับสัมผัส) ตัวอย่างวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นตัวเริ่มการกระทำ ได้แก่ โลหะผสมจำรูปที่สามารถเปลี่ยนแปลงลักษณะรูปร่างไปตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงได้ วัสดุเพียโซ อิเลกทริก (piazoelectric) ที่สามารถปรับเปลี่ยนไปมาระหว่างแรงทางไฟฟ้ากับแรงเชิงกลได้ วัสดุอัดตัวหรือยืดตัวกับแรงแม่เหล็กที่เรียกว่าวัสดุแมกนีโตสตริกทีฟ (magnetostrictive) ที่สามารถเปลี่ยนแปลงไปมาระหว่างแรงแม่เหล็กกับแรงเชิงกลได้เช่นกัน |
|
|
ตัวเริ่มการกระทำระดับนาโนที่ได้จากการสังเคราะห์ตัวแรก สร้างโดยอาศัยระบบเครื่องกลไฟฟ้าระดับนาโน (NEMS) ที่ประกอบด้วยแผ่นตัวหมุนวางแขวนไว้บนท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้นพาดผ่านแผ่นโลหะสี่เหลี่ยม ซึ่งอาจจะนำมาประยุกต์ใช้สำหรับเป็นกระจกเคลื่อนที่ได้ ในการทำงานของสวิตซ์เชิงแสงระดับนาโน
|
|
|
การทำงานร่วมกันระหว่างวัสดุที่เป็นตัวรับสัมผัสและวัสดุที่เป็นตัวเริ่มการกระทำ จะทำให้วัสดุนั้นกลายเป็นวัสดุอัจฉริยะขึ้นมาได้ ดังนั้นวัสดุอัจฉริยะก็จะเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติอย่างเช่น สามารถแจ้งเตือนบอกสภาพของตัวมันเองให้ทราบได้ สามารถปรับสภาพการทำงานให้เหมาะสมกับสภาวะใดสภาวะหนึ่งในขณะนั้นได้ สามารถซ่อมแซมตนเองได้เมื่อได้รับความเสียหายหรือมีความเสียหายเกิดขึ้นกับตัวของวัสดุ หรือสามารถทำลายตัวเองได้เมื่อหมดอายุการใช้งานหรือเกิดการเสื่อมสภาพการใช้งานไป |
|
วัสดุอัจฉริยะสามารนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์ได้อีกมากมาย ในปัจจุบันที่เห็นกันได้บ่อย ยกตัวอย่างเช่น ใช้ทำจอแสดงผลที่เรียกกันว่าจอแอลซีดี (LCD) ที่เห็นได้ในหน้าจอคอมพิวเตอร์ ซึ่งผลิตขึ้นมาจากผลึกเหลว (liquid crystals) ที่เป็นวัสดุอัจฉริยะที่ถูกนำมาใช้ หรือใช้เป็นตัวสำหรับเปลี่ยนสัญญาณชนิดหนึ่งไปเป็นอีกสัญญาณชนิดหนึ่งหรือทรานดิวเซอร์ (transducer) เช่น ในอุปกรณ์อัลตราโซนิคทางการแพทย์ที่ทำการเปลี่ยนสัญญาณเสียงไปเป็นสัญญาณแบบคลื่นเพื่อสร้างเป็นภาพ และแนวคิดในวันข้างหน้าที่คนคาดการณ์ว่าจะสามารถเกิดขึ้นได้ด้วยการพัฒนาของวัสดุอัจฉริยะระดับนาโน เช่น ใช้ทำเสื้อผ้าที่สามารถจดจำรูปร่างหรือขนาดของคนใส่ได้ ใช้เป็นชิ้นบรรจุภัณฑ์อาหารที่สามารถตอบสนองต่อภาวะโภชนาการของอาหารและผู้บริโภคได้ หรือใช้ทำวัสดุที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้เอง เช่น ทำเป็นถุงมือที่ไม่มีทางรั่วได้ ทำเป็นยางรถยนต์ที่ไม่มีวันเกิดรูรั่วได้ เป็นต้น |
|
แต่ถ้าลองสังเกตภายในร่างกายเราให้ดีก็จะพบกับวัสดุอัจฉริยะเช่นกัน ที่เห็นได้อย่างชัดเจนอย่างเช่น ผิวหนังของร่างกายเราก็มีประสาทสัมผัสรับรู้ความร้อนหรือความเย็นได้ ถ้าอุณหภูมิของร่างกายร้อนมากเกินไป สามารถที่จะระบายความร้อนได้โดยการขับเหงื่อจากต่อมใต้ผิวหนังออกมา สีผิวที่เปลี่ยนไปเมื่อเราตากแดดมากเกินไป อันเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของเม็ดสีผิวตามสภาพของแสงแดด อีกทั้งเมื่อเกิดบาดแผลหรือได้รับบาดเจ็บ ยังสามารถที่จะซ่อมแซมตัวเองได้ โดยเกร็ดเลือดจะรวมตัวกันเป็นลิ่มอุดรอยบาดแผลไม่ให้เลือดไหลออกได้ หลังจากนั้นเซลล์ผิวหนังก็จะสมานบาดแผลที่เกิดขึ้นให้อยู่ในสภาพปกติได้ ซึ่งในอนาคตเราอาจจะสามารถตรวจสอบอาการหรือสภาพต่างๆ ของร่างกายเราจากตัวรับสัมผัสที่ฝังอยู่ในร่างกาย แล้วแสดงผลผ่านซอฟแวร์ที่มีมอนิเตอร์อยู่บนผิวหนังของเราก็เป็นได้ |
|
|
|
ดังนั้นจะเห็นได้ว่าความเป็นไปได้ในการสร้างหรือผลิตวัสดุอัจฉริยะหลากหลายประเภท เพื่อที่จะนำมาใช้งานด้านต่างๆ ของมนุษย์ได้นั้น เป็นเรื่องที่ได้เกิดขึ้นแล้ว และในอนาคตก็จะยิ่งมีการพัฒนาและก้าวหน้ามากยิ่งยิ่งขึ้นไปอีกหลายเท่าตัวเกินกว่าที่เราจะคิดถึงก็ได้ |
|