นาโนเทคโนโลยี

จาก ChulaPedia

นาโนเทคโนโลยี

ในยุคข่าวสารข้อมูลผ่านระบบอินเตอร์เนตมีปริมาณมหาศาลและหลากหลาย การใช้ระบบคอมพิวเตอร์ที่กินพลังงานน้อยและทำงานรวดเร็วแม่นยำ จึงเป็นสิ่งจำเป็นของสังคมในโลกสมัยใหม่ ริชาร์ด ฟายมานน์ (Richard Feynman) นักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลปี 1964 ได้มองเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ในอนาคตตั้งแต่ปี 1947 ว่าจะต้องพัฒนาให้มีขนาดเล็กและเร็ว และได้กล่าวประโยคที่เป็นแนวคิดสำคัญของศาสตร์ด้านนาโนเทคโลยีว่า “There is plenty of rooms at the bottom” และได้ท้าทายว่า จะนำข้อมูลของห้องสมุดในรัฐสภาของประเทศสหรัฐอเมริกาเก็บไว้อยู่ในพื้นที่ขนาดจิ๋วเท่าหัวเข็มหมุด

ชิปวงจรรวม (Integrated Circuit Chips)

การทำงานของอุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่ ย่อมกินพลังงาน และขับเคลื่อนได้ช้า โดยเฉพาะส่วนที่เป็นมันสมองของระบบ ดังนั้นหัวใจสำคัญของคอมพิวเตอร์ทั้งส่วนที่เป็นหน่วยคิดคำนวณและหน่วยความจำจึงใช้ชิปวงจรรวม (Integrated Circuit Chips) ที่มีขนาดจิ๋ว ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์จำนวนล้านๆ ตัว ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ปิดเปิด เพื่อให้สัญญาณ “1” หรือ “0” ในระบบดิจิตอล ชิปวงจรรวม หรือชิปไอซี นั้นทำจากสารกึ่งตัวนำที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนระดับไมโครเมตรจำนวนมากที่สร้างขึ้นโดยเทคโนโลยีการย่อส่วน ซึ่งเป็น Top-down Technology ที่ผ่านมาในระยะ 50 ปี ของการพัฒนาเทคโนโลยีส่วนนี้ ทำให้คอมพิวเตอร์มีขนาดเล็กลง และกินพลังงานน้อยลง จนถึงขีดจำกัด เมื่อขนาดของทรานซิสเตอร์มีสัดส่วนในระดับนาโนเมตร เพราะไม่สามารถย่อส่วนลงไปได้อีก จึงจำเป็นต้องพัฒนาแนวคิดใหม่ๆ ที่เป็น Bottom-up Technology หรือการก่อตัวเองโดยธรรมชาติ (Self-Assembly) ซึ่งเป็นพื้นฐานที่สำคัญของนาโนเทคโนโลยี เพราะโครงสร้างเล็กๆ ที่เกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติ เช่น อะตอมและโมเลกุลนั้นมีกลไกการก่อตัวที่มีกฎเกณฑ์ของฟิสิกส์ จึงเป็นโครงสร้างที่ไม่มีจุดบกพร่อง (Defect Free) การใช้งานจึงมีประสิทธิภาพสูง ทั้งในเชิงพลังงานและความเร็ว โมเลกุลของสิ่งมีชีวิตก็มีกลไกการทำงานและก่อตัวเองโดยธรรมชาติ ด้วยพื้นฐานแบบ Bottom-up เช่นเดียวกัน ดังนั้นการศึกษาเกี่ยวกับนาโนเทคโนโลยีจึงต้องเข้าใจทั้งฟิสิกส์และชีววิทยา การประยุกต์ใช้งานของนาโนเทคโนโลยีจึงมีประโยชน์ทั้งในด้านวิศวกรรมศาสตร์และด้านการแพทย์

หัวใจสำคัญของการพัฒนานาโนเทคโนโลยีในระยะยาวของประเทศ

คือการสร้างคนรุ่นใหม่ที่มีองค์ความรู้ผสมผสานระหว่างศาสตร์ด้านวิศวกรรมและการแพทย์ ดังนั้นการวางรากฐานทางการศึกษาแบบใหม่จึงเป็นสิ่งจำเป็น โดยทำลายกำแพงระหว่างศาสตร์ให้สามารถข้ามเข้าหากันได้ ตัวอย่างหนึ่งได้แก่ การเปิดหลักสูตรใหม่ในระดับปริญญาตรี ที่คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ด้านวิศวกรรมนาโน (Nano-engineering) เพื่อสร้างวิศวกรที่มีองค์ความรู้พื้นฐานด้านชีวิวิทยาด้วย นอกจากนี้ยังมีกิจกรรมวิจัยและพัฒนาด้านวิศวกรรมชีวภาพ (Bio-engineering) ตลอดจนการบุกเบิกเทคโนโลยีใหม่ด้วย Nanoelectronics และ Nanophotonics ที่คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ตัวอย่างการประยุกต์นาโนเทคโนโลยีกับงานด้านวิศวกรรมศาสตร์ที่ผู้เขียนบุกเบิกอยู่ ได้แก่ การนำเอาโครงสร้างระดับนาโนเมตร มาใช้ประดิษฐ์สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูง ปรกติเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิกอนจะมีประสิทธิภาพอยู่ประมาณ 15-18% แต่เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้โครงสร้าง ควอนตัมด็อทซึ่งมีขนาดเป็นนาโนเมตร จะให้ประสิทธิภาพได้สูงกว่า 30% และยังใช้งานกับแสงอาทิตย์ความเข้มสูงได้ดีอีกด้วย จึงสามารถใช้เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีขนาดเล็ก ประหยัดเนื้อวัสดุ แต่ให้พลังงานสูงเมื่อใช้กับแสงความเข้มสูงที่โฟกัสจากเลนซ์ขนาดใหญ่ จึงเป็นแนวคิดใหม่ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ที่ใช้ต้นทุนที่ต่ำลง ประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์มาเป็นพลังงานไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์โครงสร้างใหม่นี้จะมีค่าทางทฤษฎีสูงถึง 63% จึงเป็นงานบุกเบิกที่ท้าทายและเป็นนวัตกรรมใหม่ที่ส่งผลกระทบเชิงบวกในการแก้ปัญหาพลังงานของโลกได้

นาโนเทคโนโลยีเป็นความหวังใหม่ของการพัฒนาสังคมโลกโดยไม่จำกัดเฉพาะประเทศพัฒนาแล้วเท่านั้น โอกาสในการคิดค้นของใหม่ๆ ที่ใช้แนวคิดใหม่ๆ เช่นนี้อาจเกิดขึ้นได้ทุกมุมโลก และมีผลกระทบต่อทุกวงการ ไม่เพียงแต่ด้านวิศวกรรมศาสตร์หรือการแพทย์ นาโนเทคโนโลยีสามารถประยุกต์ใช้กับงานด้านเกษตร อุตสาหกรรมอาหารและยา ซึ่งเป็นจุดแข็งของประเทศไทยได้ด้วย ดังนั้นผู้เกี่ยวข้องรวมทั้งนักการเมืองและผู้นำประเทศควรเข้าใจศักยภาพของเทคโนโลยีด้านนี้ในระยะยาว การจัดสรรงบประมาณ ตลอดจนการเตรียมกำลังคนแนวใหม่จึงเป็นประเด็นที่ต้องวางไว้ในแผนพัฒนาระยะยาวของประเทศอย่างยั่งยืนต่อไป

อาจารย์ผู้ดูแลบทความ ศ. ดร. สมศักดิ์ ปัญญาแก้ว

ผู้รับผิดชอบบทความ ศูนย์การสื่อสารนานาชาติแห่งจุฬาฯ