การควบคุมตัวปั๊มนาโนบอลลูนด้วยไฟฟ้าสถิต

เมื่อไม่นานมานี้ มีการประกาศรางวัลโนเบลสาขาเคมีปีล่าสุด โดยมอบให้กับนักวิทยาศาสตร์ 3 คน คือ Jean-Pierre Sauvage, Farser Stoddart และ Bernard L Feringa ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ทั้งสามได้มีส่วนร่วมในการค้นพบเครื่องจักรโมเลกุลที่เล็กที่สุดในโลก โดยการพัฒนาโมเลกุลให้ควบคุมการเคลื่อนที่ได้ด้วยการให้พลังงาน ในส่วนของงานวิจัยด้านฟิสิกส์ มีงานที่น่าสนใจและใช้หลักการคล้ายกันนั่นคือ การควบคุมตัวปั๊มนาโนบอลลูนด้วยไฟฟ้าสถิต

ก่อนจะพูดถึงวิธีการควบคุมตัวปั๊มนาโนบอลลูนด้วยไฟฟ้าสถิต เรามาทำความรู้จักกับตัวปั๊มนาโนบอลลูนกันก่อน

ตัวปั๊มนาโนบอลลูน (Nanoballoon Actuator)

ในระดับมหาภาค ตัวปั๊มบอลลูนถูกนำไปใช้ยกซากสิ่งก่อสร้างหลังจากเกิดแผ่นดินไหว หรือใช้ป้องกันอันตรายในรถยนต์เมื่อเกิดการชนขึ้น (airbags) หรือใช้สำหรับขยายหลอดเลือดที่ตีบตัน และในระดับจุลภาค ตัวปั๊มบอลลูนถูกนำไปใช้สำหรับ micro pumps และ flow controllers หรือในธรรมชาติ ขาของแมลงบางชนิด เช่น แมงมุมกระโดด (jumping spider) ตัวปั๊มไมโครบอลลูนภายในขาของแมงมุมจะช่วยเพิ่มกำลังในการกระโดด แต่สำหรับตัวปั๊มนาโนบอลลูน ยังเป็นสิ่งที่ยังศึกษาได้ยาก เนื่องจากในระดับนาโนมีความซับซ้อนในการควบคุมการอัดอากาศ

เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยที่ Penn State University ได้เสนอทฤษฎีที่ว่า ประจุไฟฟ้าสามารถควบคุมตัวปั๊มนาโนบอลลูนได้โดยการบีบตัวและขยายตัวสลับกันของ carbon nanotube

และตอนนี้ Hamid Reza Barzegar และทีมวิจัย ได้ทำการทดลองการควบคุมตัวปั๊มนาโนบอลลูนสำเร็จ และได้ตีพิมพ์งานวิจัยในวารสาร Nano Letters

รูปที่ 1 แสดงการบีบตัวและขยายตัวของ carbon nanotube
(ภาพจาก http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02394)

ในการทดลอง นักวิจัยใช้ transmission electron microscopy หรือ TEM ในการสร้าง carbon nanotube เริ่มต้น ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่และมีผนังหลายชั้นซ้อนกัน แต่ในการทดลองใส่ประจุไฟฟ้าสถิตให้กับ carbon nanotube จะใส่ให้กับชั้นของ carbon nanotube ที่เหมาะสมเท่านั้น ส่วนวิธีการเลือกชั้นของ carbon tube ที่เหมาะสม และการใส่ศักย์ไฟฟ้าเพื่อให้ carbon nanotube ที่เลือกไว้นั้นมีการบีบและขยายตัว ทำได้ตามแผนภาพจำลองด้านล่าง

รูปที่ 2 แบบจำลอง carbon nanotube
(ภาพจาก http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02394)

ภาพ a) ใส่อิเล็กโทรดซึ่งเคลือบด้วยเงินและอยู่นิ่งกับที่ให้กับปลายด้านหนึ่งของ carbon nanotube เริ่มต้น ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ และมีผนังหลายชั้น จากนั้นใช้ tungsten (W) tip ซึ่งมีศักย์ไฟฟ้า เคลื่อนที่มาเปิดปลายอีกด้านหนึ่งของ carbon nanotube ด้วยวิธี spot-welding หรือ กระบวนการในการเชื่อมจุดบนผิววัสดุโดยใช้ความร้อนจากความต้านทานกระแสไฟฟ้า

ภาพ b) และ c) เคลื่อน W tip ไปทางขวาเพื่อดึงชั้นของ carbon nanotube ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่าชั้นที่สนใจ (ชั้นสีเขียว) ทิ้งไป

ภาพ d) และ e) เคลื่อน W tip ไปเชื่อมกับชั้น carbon nanotube ชั้นที่สนใจ (ชั้นสีน้ำเงิน) ด้วยวิธี spot-welding และดึงชั้น carbon nanotube ที่สนใจออก

ภาพ f) carbon nanotube ชั้นที่สนใจมีการบีบตัวอย่างกะทันหันจากการรบกวนเชิงกล

ภาพ g) และ h) ชั้น carbon nanotube ที่บีบตัวสามารถขยายตัวกลับได้ โดยการใส่ศักย์ไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย และถ้านำกระแสไฟฟ้าออก carbon nanotube ก็ยังสามารถบีบตัวและขยายตัวได้ซ้ำไปซ้ำมาเป็นวัฏจักร

ซึ่งภาพที่ได้จากเครื่อง TEM ในการทดลองจริงนั้น สอดคล้องกับภาพจำลองข้างต้น

รูปที่ 3 เครื่อง TEM แสดงการบีบตัวและขยายตัวของ carbon nanotube

(ภาพจาก http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02394)

ภาพ a) แสดงการบีบตัวของ carbon nanotube (ศักย์ไฟฟ้ามีค่าเป็น 0)

ภาพ b) แสดงการขยายตัวของ carbon nanotube เดิมหลังจากการบีบและขยายตัวสลับกัน 3 รอบ (ศักย์ไฟฟ้ามีค่าเป็น 3 โวลต์)

ภาพ c) เป็นภาพวาดจำลองหน้าตัดของ nanotube ก่อนและหลังการให้ศักย์ไฟฟ้า และแสดงการกระจายตัวของประจุเมื่อ nanotube มีการบีบตัวและขยายตัว

ส่วนภาพ d) และ e) เป็นภาพขยายใหญ่ขึ้นของปลายด้านซ้ายและขวาของภาพ a) ซึ่ง Detail 1 และ Detail 2 ขยายจากวงกลมที่ 1 และวงกลมที่ 2 ตามลำดับ โดยในภาพ a) และ b) แถบสเกลมีค่าเป็น 50 นาโนเมตร ส่วนภาพ d) และ e) แถบสเกลมีค่าเป็น 10 นาโนเมตร

ในการควบคุม carbon nanotube ให้บีบตัวหรือขยายออกได้โดยใช้ศักย์ไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย ไม่มีการสูญเสียประสิทธิภาพในการทำงาน ซึ่งนักวิจัยได้แสดงการบีบตัวและขยายตัวของ carbon nanotube หลาย ๆ รอบ แต่ไม่มีสัญญาณว่าจะอ่อนกำลังลงเลย

Hamid Reza Barzegar นักฟิสิกส์ที่ Umeå University หนึ่งในผู้วิจัยเรื่องนี้ได้กล่าวว่า งานวิจัยนี้มีความน่าสนใจและทำให้เข้าใจกลไกการควบคุมการเคลื่อนที่ในระดับนาโนโดยใช้ตัวกระตุ้นจากภายนอก และทำให้รู้ลึกเกี่ยวกับรากฐานทางฟิสิกส์ เช่น ผลจากความจุประจุและแรงไฟฟ้าสถิตสามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของโครงสร้างโมเลกุลได้

และ Thomas Wågberg รองศาสตรจารย์ ด้านฟิสิกส์ ที่Umeå Universityยังกล่าวอีกด้วยว่า ในอนาคตข้างหน้า การค้นพบนี้อาจถูกนำไปใช้ในการควบคุมแบบนิวแมติกส์ (pneumatic control) ในระดับโมเลกุล หรืออาจจะใช้ในการขนส่งยาไปรักษาในอวัยวะภายในหรือเนื้องอกได้ตรงจุด

เรียบเรียงโดย

นราภรณ์ ตั้งหทัยทิพย์

• [1] Static electricity can control nanoballoons. สืบค้นจาก https://www.sciencedaily.com/releases/2016/10/161013160408.htm. 31 ตุลาคม 2559
• [2] H R Barzegar et al (2016). Electrostatically Driven Nanoballoon Actuator. Nano Letters, 2016; DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02394