การตรวจจับวัสดุขนาดซับนาโนเมตรครั้งแรกของโลก

          นาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology) เป็นเทคโนโลยีเกิดใหม่ ที่คาดว่าจะมาแทนที่เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิม ตามการพัฒนาทางด้านนาโนเทคโนโลยี ทำให้เราทราบว่าเมื่อวัสดุมีขนาดเล็กลงในระดับนาโนเมตร (หรือมีขนาดหนึ่งในหนึ่งพันล้านส่วน) จะมีคุณสมบัติพิเศษเฉพาะตัวที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีวัสดุศาสตร์แบบดั้งเดิมได้ คุณสมบัติพิเศษดังกล่าวสามารถเป็นไปได้ทั้งทางอิเล็กทรอนิกส์ ทางไฟฟ้า ทางคมี และทางแสง เป็นต้น ตัวอย่างคุณสมบัติที่เห็นได้ชัดเจนที่สุด นั่นคือ คุณสมบัติทางแสง (Optical Property) ดังภาพแสดงด้านล่าง Motl และคณะ ^[2] ได้ทดลองนำอนุภาคนาโนโลหะที่มีรูปร่างและขนาดแตกต่างกันมาผสมในสารละลาย ผลการทดลองพบว่า สีของสารละลายได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างเห็นได้ชัดเมื่อรูปร่างและขนาดของอนุภาคเปลี่ยนไป ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคโลหะที่ไม่ได้อยู่ในขนาดนาโน (ขนาด >100 นาโนเมตร) จะไม่แสดงพฤติกรรมลักษณะนี้เกิดขึ้น เราจึงเห็นได้ว่าการศึกษาและวิจัยในศาสตร์ของนาโนให้เข้าใจอย่างลึกซึ้งในเชิงกายภาพมีความสำคัญอย่างมาก ซึ่งอาจจะทำให้เราสามารถคิดค้นนวัตกรรมใหม่ ๆ ที่สำคัญต่อโลกของเราได้อีกมากมาย


          ในอดีตการวิเคราะห์คุณสมบัติของวัสดุขนาดนาโนเป็นเรื่องที่ค่อนข้างยากมาก เนื่องจากข้อจำกัดทางด้านประสิทธิภาพของเครื่องมือตรวจวัด แต่ในปัจจุบันได้มีเครื่องมือการวิเคราะห์สเปกโทรสโคปี (Spectroscopy) (เทคนิคการศึกษาอันตรกิริยาระหว่างสสารกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ที่มีประสิทธิภาพสูงถูกพัฒนาขึ้นอย่างมากมาย ซึ่งสามารถวิเคราะห์วัสดุขนาดนาโนระดับเล็กมากได้ (10 – 50 นาโนเมตร) โดยการป้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความเข้มสูงในย่านเอกซเรย์ (X-ray Region) ไปที่วัสดุตัวอย่าง ยกตัวอย่างเช่นการประยุกต์ใช้ เทคนิครามาน (Raman) และเทคนิคแสงซินโครตรอน (Synchrotron Light Radiation) เป็นต้น อย่างไรก็ตามในกรณีวัสดุที่มีขนาดเล็กกว่านี้ (น้อยกว่า 10 นาโนเมตร) ยังไม่มีเครื่องมือใดมีประสิทธิภาพเพียงพอในการวิเคราะห์ได้ จึงทำให้การศึกษาวัสดุนาโนในเชิงลึกเกิดข้อจำกัดขึ้น
            เมื่อไม่นานมานี้ ทีมนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งโตเกียว (Tokyo Institute of Technology) ^[1] ได้พัฒนาเทคนิคแบบใหม่ที่สามารถวิเคราะห์สัดส่วนทางเคมีและโครงสร้างของอนุภาคนาโนของโลหะขนาด 0.5 ถึง 2 นาโนเมตรได้ โดยได้รับตีพิมพ์ลงในวารสารคุณภาพสูง Science Advances ผลของงานวิจัยนี้ได้แสดงให้เห็นถึงการพัฒนาที่สำคัญสำหรับเทคนิคการวิเคราะห์วัสดุโครงสร้างนาโน ที่จะทำให้เกิดความเข้าใจทางธรรมชาติและเกิดการประยุกต์เกี่ยวกับศาสตร์ของนาโนมากยิ่งขึ้น 


          ในงานวิจัยนี้ นักวิจัยได้สังเคราะห์โลหะขนาดนาโนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางระดับ 0.5 ถึง 2 นาโนเมตร ซึ่งอยู่ในระดับซับนาโน (Subnano) โดยใช้โมเลกุลเดนดริเมอร์ (Dendrimer Molecule) เป็นแม่แบบ อนุภาคนาโนขนาดเล็กนี้จะมีคุณสมบัติเด่นที่เหมาะสมอย่างมากในการนำไปประยุกต์ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางด้านไฟฟ้าเคมี (Electrochemistry) อย่างไรก็ตามเทคนิคแบบเดิมไม่สามารถที่จะตรวจจับและวิเคราะห์อนุภาคเล็กขนาดนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยเหตุนี้นักวิจัยจึงได้พัฒนาเทคนิครามานแบบใหม่ ที่โดยปกติแล้วเทคนิครามานจะมีผลการตอบสนองต่อวัสดุขนาดเล็กมากต่ำ ให้มีการตอบสนองดีขึ้น โดยการใช้เทคนิคสเปกโตรสโคปีแบบขยายสัญญาณรามานด้วยการสร้างเชลล์ (Shell-Isolated Nanoparticle Enhanced Raman Spectroscopy, SHINERS) ซึ่งเป็นเทคนิคที่พัฒนาขึ้นมาจากเทคนิคสเปกโตรสโคปีแบบพื้นผิวขยายสัญญาณรามาน (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) ที่นิยมนำมาใช้วิเคราะห์ตัวอย่างวัสดุขนาดเล็ก เทคนิค SHINERS จะนำอนุภาคโลหะที่โดยทั่วไปแล้วใช้เป็นตัวขยายสัญญาณรามานให้ SERS ตามปรากฏการณ์เรโซแนนซ์พลาสมอนพื้นผิว (Surface Plasmon Resonance) ไปเคลือบด้วยซิลิกาด้วยความหนาประมาณ 2 ถึง 3 นาโนเมตร (เรียกว่าตัวขยาย SHINERS) เพื่อให้ประสิทธิภาพการตรวจวัดดีขึ้น จากการจำลองทางทฤษฎี นักวิจัยพบว่าการนำอนุภาคของทองเคลือบด้วยเชลล์ของเงินก่อนที่จะเคลือบด้วยซิลิกาจะให้ผลการขยายสัญญาณดีกว่าการเคลือบด้วยซิลิกาแบบชั้นเดียว เพราะฉะนั้น นักวิจัยจึงทดลองทำการปรับเปลี่ยนขนาดของแกนอนุภาคทองให้มีขนาดแตกต่างกัน ผลการวิจัยพบว่าขนาดน้อยกว่า 70 นาโนเมตรเป็นขนาดที่ไม่ทำให้ผลตอบสนองด้อยลง หลังจากนั้นได้ทำการปรับเปลี่ยนขนาดโดยรวมของของเชลล์เงิน พบว่าขนาด 100 นาโนเมตรเป็นขนาดที่เหมาะสมที่สุด โดยจะทำให้อัตราการขยายสัญญาณเพิ่มขึ้นมากที่สุดถึง 15 X 10⁷ เท่า ด้วยอัตราขยายระดับนี้นักวิจัยจึงคาดหวังว่าตัวอย่างอนุภาคขนาดซับนาโนอาจจะสามารถทำการวิเคราะห์ได้ 

            เพื่อเป็นการพิสูจน์ข้อสันนิษฐาน นักวิจัยได้นำตัวอย่างอนุภาคโลหะขนาดซับนาโนไปสร้างอยู่บริเวณพื้นผิวของตัวขยาย SHINER ที่พัฒนาขึ้น ผลการทดลองพบว่าสามารถตรวจจับอนุภาคนาโนได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเกิดเป็นรูปสัญญาณรามานขึ้นเมื่อปริมาณอนุภาคโลหะขนาดซับนาโนมีขนาดและจำนวนเปลี่ยนแปลงไป 


          จากการพัฒนากระบวนการตรวจวัดที่สำเร็จในงานวิจัยนี้ เราจะเห็นถึงผลกระทบอย่างสูงต่อการพัฒนาศาสตร์ทางด้านนาโนเทคโนโลยี ความไม่เข้าใจในสิ่งเล็ก ๆ ในระดับอะตอมที่เราอาจเคยมองว่าไกลตัว อนาคตเราอาจจะมองเรื่องเหล่านี้เป็นเรื่องทั่วไป และอาจเกิดการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีไฮเทคต่าง ๆ ที่สามารถเปลี่ยนวิถีการดำเนินชีวิตปกติของเราก็เป็นไปได้

 

อ้างอิง
 

• [1] A. Kuzume et al.,  Ultrahigh sensitive Raman spectroscopy for subnanoscience: Direct observation of tin oxide clusters, Science Advances 5(2019), eaax6455.
• [2] N. E. Motl et al.,  Engineering plasmonic metal colloids through composition and structural design, Chemical Society Reviews 43(2014), 3823-3834.