วารสาร : Engineering Today
ฉบับ : ปีที่ 2 ฉบับที่ 13 มกราคม 2547
เรื่องเด่นในฉบับ :
• นาโนเทคโนโลยีกับการพัฒนาประเทศไทย
• รศ.ต่อตระกูล ยมนาค อีกก้าวของการพัฒนาวิชาชีพหลังทศวรรษที่ 6 “ว.ส.ท.จะต้องมีบทบาทเพื่อสังคมมากขึ้น”
• ถอดรหัสทักษิโณมิกส์สู่ GDP 8%
• การวิเคราะห์ระเบียบ WEEE และ RoHS ในเชิงกฏหมาย
• ASEAN POWER GRID การเชื่อมโยงทางพลังงานระหว่างประเทศ
• เทคโนโลยีบำบัดน้ำเสียแบบไร้อากาศไขปริศนาชีวิตแบคทีเรียแปลงน้ำเสียเป็นเชื้อเพลิง
• โลจิสติกส์ในสิงคโปร์-ได้เวลาที่ไทยจะขยับบ้างหรือยัง?

ในโลกยุคปัจจุบันมีปัญหาหลักอยู่สองสามประการ ได้แก่ ปัญหาพลังงานกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งเป็นของคู่กัน ยิ่งวิทยาการเจริญก้าวหน้าเท่าไร มนุษย์จะใช้พลังงานมากขึ้นเท่านั้น และนำไปสู่การสร้างสิ่งแวดล้อมเป็นพิษ ดังนั้นการใช้พลังงานอย่างประหยัด หรือมีประสิทธิภาพสูง จึงเป็นทางเลือกหนึ่งของการพัฒนางานด้านวิศวกรรมศาสตร์

สิ่งประดิษฐ์ทางด้านวิศวกรรมศาสตร์ที่มีขนาดเล็กจะกินพลังงานต่ำ ไม่ปลดปล่อยของเสียออกมามาก ดังนั้นเราจะเห็นการพัฒนาศาสตร์ด้านวิศวกรรมศาสตร์ในระดับที่มีสเกลเล็กลงเรื่อย ๆ เช่น กรณีของ IC Chips ที่มีพัฒนาจากไมโครเมตรเป็นซับไมโคร-และนาโนเมตรตามลำดับ การที่สิ่งประดิษฐ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลง จะทำให้ได้ Chips ที่มี function ในการทำงานที่สลับซับซ้อน มีสมรรถนะสูงขึ้น เช่น คอมพิวเตอร์ที่มีคุณภาพสูงขึ้น แต่ขนาดเล็กลง แถมมีราคาถูกลงด้วย

การที่สิ่งประดิษฐ์มีขนาดเล็กลงนั้น นอกจากจะใช้พลังงานน้อยลงแล้ว ยังมีลักษณะเด่นอีกประการหนึ่งคือ ทำงานได้เร็วขึ้นด้วย ซึ่งสอดคล้องกับความต้องการของโลกยุคใหม่ที่มีฐานข้อมูลจำนวนมหาศาลที่จะต้องนำมาคิดตัดสินใจ เช่น Supercomputer แนวคิดจะนำเอาอะตอม กลุ่มอะตอม หรือโมเลกุลที่มีขนาดเล็กในระดับนาโนเมตรมาทำเป็นสิ่งประดิษฐ์พื้นฐาน เช่น สวิทต์ปิดเปิด หรือทรานซิสเตอร์ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานในทางอิเล็กทรอนิกส์ จึงเกิดขึ้นในยุคนี้ เรียกว่าศาสตร์ทางด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ (Nanoelectronics)

รูปที่ 1 Richard Feynman

แนวคิดนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่ เพราะ Richard Feynman นักวิทยาศาสตร์ชื่อดัง เจ้าของรางวัลโนเบล ปี 1965 ได้พูดถึงเรื่องนี้ไว้ตั้งแต่ปี 1959 ว่า “There is plenty of room in the bottom” แต่ก็ไม่มีคนสนใจและทำงานจริงจังในเรื่องนี้ จนกระทั่งการคิดค้นสิ่งประดิษฐ์ในระดับนาโนเมตรหลายเรื่องได้ถูกพัฒนาขึ้นในช่วงนี้ เช่น Carbon Nanotube (CNT) Quantum Dots (QD) ตลอดจนเทคนิคในการตรวจวัด และ Manipulate สิ่งของที่มีขนาดเล็ก เช่น อะตอม โมเลกุล ด้วย Electron Microscope ชนิดต่าง ๆ ได้แก่ STM (Scanning Transmission Electron Microscopy) AFM (Atomic Force Microscopy)

โครงสร้างระดับนาโนเมตรถูกนำมาใช้เป็นสิ่งประดิษฐ์หลายอย่าง นับตั้งแต่ Single Electron Devices ที่มีขนาดเล็ก กินไฟน้อย และทำงานได้รวดเร็ว ใช้เป็นสิ่งประดิษฐ์เปล่งแสงที่มีคุณภาพและประสิทธิภาพสูง เช่น QD Lasers และ Field Emission ของ CNT สำหรับจอภาพแสดงผลแบบแบนที่กินไฟต่ำ

รูปที่ 2 Carbon Nanotubes (CNT) กับการใช้งานเป็น pressure switch

รูปที่ 3 Carbon Nanotube Transistors

นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาโครงสร้างระดับนาโนเมตรหลายรูปแบบ เช่น Nanocrystals Nanorods Nanowires Nanofibres ซึ่งมีการประยุกต์อย่างกว้างขวางทั้งทางด้าน Chemical Engineerings เช่น งานด้าน Catalysts ด้าน Bio-chemistry และการประยุกต์ที่มี impact สูงด้านการแพทย์ การผลิตตัวยาอัจฉริยะที่ทำงานได้อย่างเป็นระบบ และเข้าไปทำหน้าที่ยังจุดที่มีเซลล์เป้าหมาย เช่น มะเร็ง โครงสร้างแบบ Nanofibres ยังอาจทดแทนธรรมชาติได้ในร่างกายของมนุษย์ ซึ่งเป็นธุรกิจด้านสุขภาพที่มีมูลค่ามหาศาล

รูปที่ 4 Quantum Dots ที่ศึกษาวิจัยอยู่ที่คณะวิศวฯ จุฬาฯ

รูปที่ 5 AFM (Atomic Force Microscope) ที่คณะวิศวฯ จุฬาฯ

นาโนเทคโนโลยีจึงเป็นศาสตร์ที่มีความสำคัญต่อโลกในอนาคต และเป็นเครื่องมือให้ประเทศที่มีความก้าวหน้าด้านนี้ สามารถเป็นผู้กำหนดทิศทางการพัฒนาวิทยาศาสตร์เทคโนโลยี กำหนดเศรษฐกิจ และการเมืองของโลกได้
นาโนเทคโนโลยีเป็นศาสตร์ที่เป็น Interdisplinary ต้องอาศัยบุคลากรหลายด้านทำงานร่วมกัน ทั้งนักฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา และวิศวกรสาขาต่าง ๆ เช่น ไฟฟ้า คอมพิวเตอร์ เคมี วัสดุ ฯลฯ ดังนั้นจึงต้องมีระบบ Management ที่ดีในการสร้างบรรยากาศให้คนหลายกลุ่มทำงานร่วมกัน รวมไปถึงการวางแผนในการสร้างคนรุ่นใหม่ ที่มีแนวคิดใหม่ ๆ เช่น วิศวกรที่มีพื้นฐานความรู้ด้านชีวภาพ อินทรีย์เคมี ดังนั้นการพัฒนาหลักสูตรใหม่ ๆ ตั้งแต่ระดับโรงเรียน และมหาวิทยาลัยให้มีเนื้อหาด้านนาโนเทคโนลียีไว้ด้วย จะช่วยให้การพัฒนาศาสตร์ด้านนาโนเทคโนโลยีเข้าสู่การประยุกต์ได้จริง และใช้พัฒนาประเทศได้

รูปที่ 6 Nanorods และ Nanfibres

รูปที่ 7 เครื่อง Molecular Beam Epitaxy ที่คณะวิศวฯ จุฬาฯ

องค์ประกอบหนึ่งนอกจากทรัพยากรมนุษย์แล้ว ก็คือ งบประมาณวิจัยที่ใช้ในการพัฒนานาโนเทคโนโลยี ในประเทศที่เจริญแล้ว เช่น ในสหรัฐอเมริกา ในญี่ปุ่น และในยุโรป งบประมาณที่ใช้ในด้านนาโนเทคโนโลยีจะอยู่ในระดับ 1,000 ล้านเหรียญสหรัฐ หรือ 40,000 ล้านบาทต่อปี ซึ่งมากกว่างบประมาณวิจัยที่ใช้ในประเทศไทยเป็น 100-1,000 เท่า ดังนั้นการนำเอานาโนเทคโนโลยีมาเป็นเครื่องมือในการพัฒนาประเทศไทย คงมีข้อจำกัด และต้องเลือกทำในบางแนวเท่านั้น มิฉะนั้นจะไม่สามารถต่อสู้แบบเสมอภาคได้ การใช้สติปัญญาเพื่อเลือกแนวการพัฒนานาโนเทคโนโลยีในประเทศไทยเป็นประเด็นที่ต้องให้ความสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อให้การลงทุนทั้งกำลังคนและกำลังทรัพย์ที่มีอยู่น้อยนิดเป็นประโยชน์สูงสุด

ประเทศไทยมีจุดแข็งที่มีฐานด้านการเกษตร มีสภาพภูมิอากาศในเขตร้อนแบบมีความชื้นสูง ที่เหมาะแก่การเพาะปลูก เลี้ยงสัตว์ และผลิตอาหารตลอดทั้งปี ดังนั้นการนำนาโนเทคโนโลยีมาเป็นฐานในการพัฒนาจุดแข็งเหล่านี้ น่าจะเป็นทางเลือกที่มีเหตุผล และมี impact สูงสุดต่อเศรษฐกิจรากหญ้าของประชากรส่วนใหญ่ของประเทศ การพัฒนาผลผลิตการเกษตรที่มี value added สูง เป็นอาหาร สุขภาพที่มีมูลค่า ตลอดจนการพัฒนาต่อเป็นตัวยารักษาโรคจากสารธรรมชาติ สามารถใช้ศาสตร์ด้าน Nano-bio engineering ได้ ดังนั้นกำลังคนแม้จะน้อย แต่ถ้ามีเป้าหมายที่ focus ชัดเจน ก็สามารถ แข่งขันกับต่างประเทศได้ เพราะเงินอย่างเดียวมิได้เป็นเงื่อนไขที่สำคัญที่สุด แต่เป็นมันสมองที่มี innovative idea จะเป็นตัวกำหนดที่สำคัญที่สุดที่ผลักดันให้เกิดการ Break Through ในการพัฒนา นาโนเทคโนโลยีของประเทศไทย

นาโนเทคโนโลยีในทัศนะของวิศวกรซึ่งคุ้นเคยกับการใช้อุปกรณ์เครื่องมือจะหมายถึงเทคโนโลยีที่เกี่ยวกับอุปกรณ์เครื่องมือขนาดเล็กจิ๋วที่มีสัดส่วนวัดเป็นนาโนเมตร หรือ 1 ในพันล้านส่วนของเมตร หรือ 1 ในหมื่นส่วนของเส้นผม (เส้นผมจะมีขนาด 10,000 นาโนเมตร) เนื่องจากนาโนเมตรเป็นมาตรที่ใช้วัดขนาดของอะตอมและโมเลกุล ดังนั้นนาโนเทคโนโลยีจึงหมายถึงเทคโนโลยีที่จะใช้อะตอมและโมเลกุลเป็นอุปกรณ์เครื่องมือในด้านวิศวกรรมศาสตร์ได้ กลไกการทำงานมีทั้งทางกายภาพ เชิงกล ทางเคมี ทางแสงและทางไฟฟ้า จึงทำให้สามารถประยุกต์ได้กว้างขวางในสาขาวิทยาการต่าง ๆ

องค์ความรู้พื้นฐานที่ใช้อธิบายการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนในอะตอม ได้แก่ กลศาสตร์ของคลื่น (Wave Mechanics) หรือกลศาสตร์ควอนตัม ทำให้สามารถอธิบายปรากฏการณ์ทางควอนตัม เช่น การทันแนลลิ่งของคลื่นอิเล็กตรอนผ่านกำแพงศักย์ที่มีความบางในระดับนาโนเมตร วิศวกรได้นำพื้นความรู้เหล่านี้มาพัฒนาสิ่งประดิษฐ์ประเภทควอนตัม (Quantum Devices) เพื่อใช้งานในด้านอิเล็กทรอนิกส์ได้หลายชนิด โครงสร้างควอนตัมเหล่านี้ เตรียมได้โดยเทคนิคหลายวิธี เช่น การปลูกชั้นผลึกด้วย ลำโมเลกุล (Molecular Beam Epitaxy) เพื่อให้ได้ชั้นผลึกบาง ๆ ในระดับนาโนเมตร เรียกว่า ควอนตัมเวลล์ (Quantum Wells) อิเล็กตรอนที่เคยมีความอิสระในการเคลื่อนที่ทุกทิศทางในชั้นผลึกหนา ๆ จะลดมิติการเคลื่อนที่เหลือเพียง 2 มิติ หากปลูกชั้นผลึกเป็นเส้นเรียกว่าควอนตัมไวร์ (Quantum Wires) อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เพียง 1 มิติ และหากปลูกผลึกเป็นจุดที่มีขนาดเป็นนาโนเมตร เรียกว่า ควอนตัมด็อท (Quantum Dots) อิเล็กตรอนจะถูกขังอยู่ในโครงสร้างฯ กลายเป็นศูนย์มิติ ขาดความเป็นอิสระในการเคลื่อนที่จนกว่าจะได้พลังงานจากภายนอกมากระตุ้นให้เคลื่อนที่ได้ทีละตัว ซึ่งเป็นแนวคิดของสิ่งประดิษฐ์แนวใหม่ที่เรียกว่า ทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยว (Single Electron Transistors) ซึ่งมีขนาดเล็กจิ๋วเป็นนาโมเมตร มีกลไกการปิดเปิด (Switching) ที่เร็วและกินไฟน้อยมาก หากนำมาประยุกต์เป็นวงจรไอซีจะได้วงจรขนาดใหญ่ที่มีความเร็วสูงและเล็กจิ๋วมาก เช่น หน่วยความจำ หน่วยมันสมองของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ เป็นต้น ทำให้กฎของมัวร์ (Moore’s law) ที่คาดการณ์ว่า วงจรไอซีจะมีขนาดเล็กลง แต่มีองค์ประกอบจำนวนมากขึ้น ส่งผลให้ได้ชิปที่มีสมรรถนะสูงขึ้น สามารถเดินหน้าต่อไปได้

รูปที่ 8 การเปล่งแสงที่ 1.3 ไมครอนจากควอนตัมด็อท เพื่อใช้ทำเลเซอร์สำหรับงานสื่อสารผ่านเส้นใยแสงมีค่าขีดจำกัด กระแสต่ำ

รูปที่ 9 ค่าแคแปซิแตนซ์ของควอนตัมด็อทที่แสดง
ถึงการเก็บประจุไฟฟ้าเพื่อประยุกต์เป็น Optical Memory และ Solar Battery

โครงสร้างควอนตัมด็อทที่เป็นระเบียบและเก็บประจุได้ นอกจากจะนำมาประยุกต์ใช้เป็นหน่วยความจำแล้ว ยังนำมาทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบของหน่วยคิดคำนวณของคอมพิวเตอร์แนวใหม่ ที่เรียกว่า Quantum Cellular Automata (QCA) ได้อีกด้วย เนื่องจากพลังงานของอิเล็กตรอนในควอนตัมด็อท มีลักษณะเป็นชั้นควอนไตท์ (Quantized States) ทำให้ความหนาแน่นของชั้นพลังงานมีค่าสูง (High Density of States) จึงสามารถเปล่งแสงด้วยสเปคตรัมที่บริสุทธิ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โครงสร้างควอนตัมด็อทจึงสามารถใช้เป็นเลเซอร์ควอนตัมด็อท (Quantum Dot Lasers) ที่มีค่าขีดจำกัดของกระแส (Threshold Current) ต่ำมาก จึงเป็นเลเซอร์ที่กินไฟต่ำ มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน และมีความเชื่อถือได้สูง เหมาะใช้งานกับระบบสื่อสารผ่านเส้นใยแสงที่กำลังกลายเป็นโครงสร้างพื้นฐานของสังคมยุคใหม่ในปัจจุบัน

จากศักยภาพของนาโนเทคโนโลยีในเชิงวิศวกรรมศาสตร์ที่ได้ยกตัวอย่างมาส่วนหนึ่งแล้ว ชี้ให้เห็นว่านาโนเทคโนโลยีจะเป็นมิติใหม่ที่ท้าทาย หากรวมถึงหัวข้อวิจัยที่กำลังเป็นที่สนใจในปัจจุบัน เช่น คาร์บอนนาโนทิวป์ (Carbon Nanotubes) ซึ่งมีคุณสมบัติน่าสนใจทั้งทางด้านกายภาพ เช่น มีโครงสร้างแข็งแรงดุจเพชรในขณะที่หยืดหยุ่นเทียบได้กับโครงสร้างที่สามารถต้านแรงลมพายุและแผ่นดินไหวได้ดี คาร์บอนนาโนทิวป์ยังมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่น่าสนใจทั้งการนำไฟฟ้าและประพฤติตัวเป็นสารกึ่งตัวนำ สามารถทำหน้าที่เป็นตัวเปล่งแสงได้ดี จึงมีศักยภาพในเชิงพาณิชย์ในหลาย ๆ ด้าน อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และเคมีภัณฑ์หลายแห่งทั่วโลกให้ความสนใจในการผลิตคาร์บอนนาโนทิวป์เพื่อการประยุกต์ด้วยกรรมวิธีที่จะให้มีต้นทุนที่ถูก

สำหรับงานวิจัยด้านด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ที่ผู้เขียนได้พัฒนามาตั้งแต่ช่วงปี 1990 เป็นต้นมาก็เพื่อศึกษาโครงสร้างควอนตัมของสิ่งประดิษฐ์สารกึ่งตัวนำ โดยติดตั้งเครื่องปลูกผลึกสารประกอบกึ่งตัวนำด้วยลำโมเลกุล (Molecular Beam Epitaxy) ที่คณะวิศวฯ จุฬาฯ เพื่อทดลองปลูกชั้นผลึกระดับชั้นอะตอม และศึกษาคุณสมบัติพื้นฐานทางควอนตัมได้แก่ พลังงานอิเล็กตรอนแบบควอนไตท์ (Quantized Energy) และความหนาแน่นของสถานะ (Density of States) ของอิเล็กตรอนในโครงสร้างที่มีขนาดเล็กๆ ในระดับนาโนเมตร ความรู้พื้นฐานที่ได้จากการวิจัยถูกพัฒนามาสู่การสร้าง Quantum Dots (QD) ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์เป็น Single electron devices ทำเป็น QD lasers และการประยุกต์ในแนวคิดใหม่ของคอมพิวเตอร์ ได้แก่ Quantum Computing ตลอดจน Optical Memory และเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูง องค์ความรู้ที่ได้รับเหล่านี้จะเป็นพื้นฐานส่วนหนึ่งของการพัฒนานาโนเทคโนโลยีของประเทศไทย และสามารถไปปรับใช้งานกับการพัฒนาสิ่งประดิษฐ์ด้าน Biosensors Bio-chips ซึ่งเป็นแนวทางวิจัยที่เสริมจุดแข็งของประเทศได้ต่อไป