ปากกานาโน (nanopen)

ในสมัยโบราณมนุษย์นิยมสร้างอนุสรณ์สถานที่มีขนาดมโหฬาร เพื่อแสดงความยิ่งใหญ่อลังการแห่งอารยธรรมของตน เช่น คนอียิปต์ สร้างพีระมิด และคนจีนสร้างกำแพงเมืองจีน เป็นต้น เมื่อถึงยุคปัจจุบันเรามีตึกระฟ้าที่สูงเทียมเมฆ และมีเครื่องบินโดยสารขนาดใหญ่ที่ สามารถขนส่งผู้โดยสารจำนวนนับร้อยคนข้ามประเทศได้อย่างรวดเร็วและปลอดภัย แต่ในอนาคตมนุษย์จะสร้างเทคโนโลยีที่มีขนาดเล็ก เท่าอะตอมแทน
อะตอมคือหน่วยที่เล็กที่สุดของธาตุ มันมีขนาดเล็กประมาณ 0.0000000001 เมตร นั่นหมายความว่า ในแมงมุมที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางยาว 0.0001 เมตร สามารถมีอะตอมเรียงกันอยู่ได้ถึง 1 ล้านอะตอม การมีขนาดเล็กมากเช่นนี้ได้ทำให้นักฟิสิกส์ต้องตั้งหน่วยวัดที่แสดงขนาด ขึ้นมาใหม่ เพื่อสะดวกในการพูดถึงอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กมากเหล่านี้ โดยใช้คำว่า "นาโน" ซึ่งเป็นคำภาษากรีกที่หากใช้นำหน้าคำใด ก็แสดงว่า ขนาดของสิ่งนั้นจะเท่ากับ 0.000000001 ของหน่วยนั้น เช่น นาโนเมตรก็เท่ากับ 0.000000001 เมตร นาโนกิโลกรัม ก็เท่ากับ 0.000000001 กิโลกรัม เป็นต้น
ดังนั้น คำว่า ปากกานาโนหรือ nanopen จึงหมายถึงปากกาที่มีขนาดใหญ่ประมาณ 0.000000001เมตร (ปากกาธรรมดามีความ บางประมาณ 0.15 เมตร ดังนั้นปากกานาโนจะเล็กกว่าปากกาธรรมดา 1,500 ล้านเท่า)

นักวิทยาศาสตร์ผู้ที่ได้ริเริ่มการสร้างโลกนาโนเป็นคนแรกคือ Richard Feynman เขาคือผู้พิชิตรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี พ.ศ. 2508 ในปี พ.ศ.2503 เขาได้แสดงปาฐกถาเรื่อง "Plenty of Room at the Bottom" ในการบรรยายครั้งนั้น เขาได้ตั้ง คำถามว่า มนุษย์สามารถสร้างอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กที่สุดได้เล็กเพียงใด เพราะเมื่อเขาได้ทบทวนหลักการและทฤษฎีต่างๆ ของฟิสิกส์แล้ว เขาก็รู้สึกประหลาดใจมากที่วิทยาการฟิสิกส์มิได้มีข้อจำกัดหรือสั่งห้ามการมีอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็ก

กระดับอะตอมเลย Feynman จึงได้ตั้งเงินรางวัล 1,000 เหรียญสหรัฐ เพื่อมอบให้แก่นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่สามารถทำให้โลกนาโนของเขาเป็นความจริง

ในปี พ.ศ. 2533 D.Eigier และ E.Schweizer แห่งมหาวิทยาลัย San Jose ในสหรัฐอเมริกา ก็ได้ทำให้โลกตื่นใจเมื่อเขาทั้งสอง ประกาศว่า เขาได้ประสบความสำเร็จในการทำป้ายโฆษณาของ บริษัท IBM ที่มีขนาดเล็กระดับอะตอมได้ โดยการนำอะตอมของธาตุ xenon 35 อะตอมมาวางเรียงกันเป็นอักษรสามตัวคือ I, B และ M

อุปกรณ์ที่นักเทคโนโลยีทั้งสองใช้ในการทำประติมากรรมครั้งนั้น คือ Scanning Tunneling Microscope หรือที่รู้จักกันในนาม สั้นๆ ว่า STM ตัวอุปกรณ์ STM นี้มีปลายแหลมที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางยาวประมาณ 50 นาโนเมตร และเมื่อ Eigler กับ Schweizer ใช้เข็มปลายแหลมนี้จ่อใกล้อะตอมของ xenon แล้วเปิดสวิตช์ไฟฟ้าเพื่อทำให้เข็มปลายแหลมกับอะตอมมีศักย์ไฟฟ้าที่แตกต่างกัน อะตอมของ xenon ก็จะโผลอยเคลื่อนไปเกาะติดที่ปลายแหลมเพราะถูกแรงดึงดูดทางไฟฟ้ากระทำ การควบคุมความต่างศักย์ที่รัดกุม จะทำให้อะตอม xenon เคลื่อนที่ไปทีละอะตอมอย่างช้าๆ ด้วยความ "เร็ว" ประมาณ 1 เซนติเมตร/ปี และเมื่ออะตอมของ xenon เดินทางถึงตำแหน่งที่คนทั้งสองต้องการ เขาก็เปิดสวิตช์ไฟปลดปล่อยอะตอมทันที ประติมากรรมอะตอมชุดนี้ต้องใช้เวลาในการบรรจง สร้างถึง 22 ชั่วโมง และมีขนาดใหญ่ 0.0000017 เซนติเมตรเท่านั้นเอง และนั่นก็หมายความว่า การเรียงอักษร IBM สามตัวนี้ต้องมี จำนวนถึง 6 แสนชุด จึงจะได้ความยาวรวม 1 เซนติเมตร

ศาสตร์สามารถสร้างสารประกอบหรือวัสดุชนิดใหม่ที่ไม่เคยมีในธรรมชาติได้ โดยนำอะตอม ชนิดใดก็ได้มาประกอบดัน เป็นวัสดุที่มี คุณสมบัติตามที่ใจปรารถนาได้ ซึ่งวัสดุเหล่านั้นอาจมีคุณค่าทางเศรษฐกิจทางทหาร ทางวิชาการ หรือทางเทคโนโลยีสูง ยกตัวอย่าง เช่นว่าเทคโนโลยีนานโนสามารถทำให้นักชีวเคมีมาศึกษาแรงกระทำระหว่างโมเลกุลได้อย่างละเอียดและครอบคลุม สามารถช่วยนักวิทยา ศาสตร์วัดปริมาณความร้อนที่เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจปลดปล่อย ซึ่งเซลล์ที่มีสุขภาพดีและเซลล์ที่สุขภาพเสียจะคายความร้อนในปริมาณ และลักษณะที่แตกต่างกัน ข้อมูลนี้จะช่วยให้แพทย์สามารถรู้ว่าเซลล์ที่เป็นโรคอยู่ที่ตำแหน่งใดของหัวใจ นักธรณีวิทยาก็จะเป็นต้องใช้ เทคโนโลยีนาโนในการศึกษาพยากรณ์ปรากฏการณ์แผ่นดินไหวเช่นกัน เพราะเวลาคลื่นแผ่นดินไหวเคลื่อนที่ผ่านชั้นดินใต้บาดาล ความจุไฟฟ้าของชั้นดินจะเปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงที่ถึงแม้จะน้อยนิดเพียงใด เทคโนโลยีนาโนก็สามารถตรวจจับได้ และนักธรณี วิทยาก็ได้พบว่า วิทยาการนาโนได้ช่วยให้เขาสามารถทำนายเหตุการณ์แผ่นดินไหวได้ล่วงหน้านานเป็นเดือน
ทุกวันนี้ ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีนาโนกำลังดำเนินอยู่ตลอด เลาจนนักวิทยาศาสตร์หลายคนคิดว่า ในเวลาอีกไม่นานมนุษย์คงสร้าง เครื่องจักรโมเลกุลได้ ซึ่งเครื่องจักรโมเลกุลนี้จะประกอบด้วยอะตอมของธาตุต่างๆ ที่เวลานำมาวางเรียงกันจนมันมีชีวิตคือสามารถ สืบพันธุ์ได้ เมื่อเครื่องจักรโมเลกุลนี้อยู่ในร่างกายคน เวลามันเผชิญเชื้อโรคใด ตัวมันซึ่งมีขนาด 0.000001 เมตร ก็จะผลิตหุ่นยนต์ที่มี ความสามารถในการสังหารเชื้อโรคให้ล้มตาย หุ่นยนต์โมเลกุลในอนาคตอาจช่วยกำจัดไขมันในเส้นเลือดของคน เพื่อห้องกันคนคนนั้น มิให้ป่วยเป็นโรคเส้นโลหิตอุดตัน และแพทย์ก็ได้ตั้งความหวังว่าเครื่องจักรโมเลกุลในอนาคตอาจได้รับการออกแบบให้สามารถซ่อมแซม เซลล์ที่สึกหรอ หรือที่ทำงานบกพร่อง จนเซลล์เหล่านั้นสามารถทำงานได้เหมือนเดิมอีกครั้งหนึ่งและนั้นก็หมายความว่า เทคโนโลยีนาโน คงจะช่วยให้มนุษย์คงสภาพความเป็นหนุ่ม-สาวได้นานขึ้น

โนได้และได้ใช้อุปกรณ์ดังกล่าวเขียนคำ บรรยายของ Feynman เรื่องเทคโนโลยีนาโนลงในพื้นที่ขนาดเล็กประมาณหนึ่งในพันของหัวเข็มหมุดได้แล้ว
โดย Mirkin ใช้โมเลกุลของสารประกอบอินทรีย์ชื่อ 16-mercapto hexade canoic acid (MHA) และ 1-octadecanethcol (ODT) ห่อหุ้มปลายแหลมของ STM เป็นหมึกแล้วใช้คอมพิวเตอร์ควบคุมการเคลื่อนที่ของปลายแหลม เขียนตัวอักษรที่มีขนาดเล็ก 5 นาโนเมตร ได้สำเร็จ Mirkin และคณะได้ใช้เวลานานทั้งสิ้น 10 นาที ก็สามารถเขียนคำปาฐกถา 115 คำได้สำเร็จ ซึ่งก็นานๆ พอ กับเวลา ที่คนที่พิมพ์ดีดไม่เป็นใช้ในการพิมพ์คำ 115 คำ
ข่าวการสร้างปากกานาโนและหมึกนาโนในการเขียนคำนาโนนี้คงทำให้พวกนักสืบ นักจารกรรมทั้งหลายตื่นตัว แต่คุณค่าที่ยิ่งใหญ่ของ ความสำเร็จนี้ก็คือ ณ วันนี้นักวิทยาศาสตร์มีเทคโนโลยีที่สามารถสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เล็กระดับนาโนได้แล้ว ซึ่งจะช่วยให้เขา เข้าใจว่าอุปกรณ์อะตอมทำงานได้อย่างไร Mirkin ยังกล่าวเสริมว่า เทคโนโลยีนี้ยังสามารถช่วยให้นักวิจัยเข้าใจได้ว่า ปฏิกิริยาเคมีต่างๆ เกิดได้อย่างไรอีกด้วย เพราะเวลาเขาจัดวางอะตอม ณ ตำแหน่งที่ต่างกัน รูปแบบของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นก็จะแตกต่างไปด้วย ซึ่งนักเคมีสามารถจับตาดูได้
เทคโนโลยีนาโนก็เหมือนกับเทคโนโลยีนี้ ยังไม่มีใครสามารถพยากรณ์ได้ถูกว่าเป็นประโยชน์รูปแบบใด ในส่วนของปากกานาโนในอนาคต ก็คงสามารถเขียนตำรา encyclopedia ทั้งเล่มลงได้บนหัวเข็มหมุดอย่างสบายๆ ครับ

ที่มา
http://www.ipst.ac.th/ThaiVersion/publications/in_sci/nanopen.html
ภาพจาก