นาโนเทคโนโลยีในธรรมชาติ ใยแมงมุม

คำว่า “นาโน” มีค่าเท่ากับสิบยกกำลังลบเก้า (10-9) หรือหนึ่งส่วนในพันล้านส่วน (1/1,000,000,000) ผู้เปิดศักราชของนาโนเทคโนโลยี คือ ริชาร์ด ฟายน์แมน (Richard Feyman) ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในปี ค.ศ.1965 เป็นผู้กล่าวว่า “สักวันหนึ่งเราจะสามารถประกอบสิ่งต่างๆ ผลิตสิ่งต่าง ๆ ขึ้นมาจากการจัดเรียงอะตอมด้วยความแม่นยำ และเท่าที่ข้าพเจ้ารู้ ไม่มีกฎทางฟิสิกส์ใด ๆ แม้แต่หลักแห่งความไม่แน่นอน (Uncertainty Principle) ที่จะมาขัดขวางความเป็นไปได้นี้” และยังเป็นผู้กล่าวย้ำถึงเทคโนโลยีนี้ว่าเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้นนาโนเทคโนโลยีจึงถูกนิยามว่าเป็นเทคโนโลยีการประกอบและผลิตสิ่งต่างๆ ขึ้นมาจากการจัดเรียงในระดับอะตอมหรือโมเลกุล เข้าด้วยกันด้วยความแม่นยำ ถูกต้องในระดับนาโนเมตร (1 ในพันล้านส่วนของ 1 เมตร)

เค.อีริค เดร็กซเลอร์ (K. Eric Drexler) เป็นผู้เชี่ยวชาญทางนาโนเทคโนโลยีได้กล่าวไว้ว่าเทคโนโลยีมีลักษณะเดียวกับ วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตตามทฤษฏีของชาลส์ ดาร์วิน คือเมื่อมันเกิดขึ้นมามันก็จะมีการแปรเปลี่ยนให้แตกต่างออกไป (Variation and Mutation) จากนั้นก็จะแข่งขันกันแพร่พันธ์เทคโนโลยีที่ขาดความสามารถในการแข่งขันก็จะค่อยๆ ลดจำนวนลงไป จนในที่สุดจะเหลือแต่กลุ่มของเทคโนโลยีที่มีความสามารถรอดพ้นจากการสูญพันธ์

มิเฮล ซี รอคโค (Mihail C.Roco) ผู้เชี่ยวชาญและหัวหน้าที่รับผิดชอบดูแลด้านนาโนเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (National Nanotechnology Initiative) หรือ NNI ได้กำหนดนิยามสั้นๆ ว่า นาโนเทคโนโลยีเป็นเทคโนโลยีที่จัดการกับวัสดุ หรือวัตถุที่อย่างน้อยมีมิติใดๆ ที่มีขนาดตั้งแต่หนึ่งถึงร้อยนาโนเมตร โดยที่สิ่งนี้ต้องถูกออกแบบหรือจงใจ และแสดงผลต่อฟิสิกส์และเคมีของโครงสร้างในระดับโมเลกุลของมัน ดังนั้นในสาขานาโนเทคโนโลยีในความหมายนี้ จะครอบคลุมถึงกิจกรรมต่างๆ ตั้งแต่ การสร้างโครงสร้างที่ทำหน้าที่ในระดับนาโน โดยที่เราสามารถกำหนดหรือออกแบบคุณสมบัติของมันได้ ชีวะเคมี ระดับโมเลกุล การประกอบตัวหรือลอกเลียนแบบด้วยตัวเอง การศึกษาผลของควอนตัมฟิสิกส์ การศึกษา สมบัติพื้นผิวของวัสดุ เป็นต้น

ดังนั้นเราสามารถนิยามเทคโนโลยีที่มนุษย์ได้พัฒนาขึ้นเป็น 2 แบบ คือ

1. เทคโนโลยีแบบหยาบ (Bulk Technology) การผลิตสิ่งต่างๆ โดยใช้วิธีกล เช่น การตัด กลึง บีบ อัด ต่อ งอ และอื่นๆ หรือใช้วิธีการทางเคมีโดยผสมให้เกิดปฏิกิริยา เทคโนโลยีแบบนี้สามารถใช้สร้างสิ่งเล็ก ๆ ได้ แต่ก็ยังขาดความแม่นยำและมีความบกพร่องสูง การนำเทคโนโลยีแบบหยาบไปสร้างสิ่งเล็ก ๆ เช่น ไมโครชิพในการผลิตวงจรที่ระดับ 0.2-0.3 ไมโครเมตร เราเรียกว่าเป็นการใช้เทคโนโลยีแบบบนลงล่าง (Top-DownTechnology) ซึ่งมีข้อจำกัดสูง ความจริงก็คือทรานซิสเตอร์ที่ผลิตได้ในระดับนี้ประกอบด้วยอะตอมอยู่ในระดับล้านล้านอะตอม เราจึงยังคงเรียกเทคโนโลยีแบบไฮเทคในปัจจุบันว่าเป็นเทคโนโลยีแบบหยาบ
2. เทคโนโลยีระดับโมเลกุล (MolecularTechnology) การจัดการหรือผลิตสิ่งต่างๆ โดยการนำอะตอมหรือโมเลกุลมาจัดเรียง ณ ตำแหน่งที่ต้องการอย่างแม่นยำ สิ่งที่ผลิตขึ้นมาอาจเป็นสิ่งเล็กๆ หรือเป็นสิ่งใหญ่ก็ได้ การนำเอาเทคโนโลยีระดับโมเลกุลไปสร้างสิ่งที่ใหญ่ขึ้นมา เหมือนกับพืชที่สร้างผนังเซลล์จากการนำโมเลกุลของน้ำตาลมาต่อกัน ซึ่งจัดเป็นการใช้เทคโนโลยีแบบล่างขึ้นบน (Bottom-Up Technology)เทคโนโลยีระดับโมเลกุลนี้เองที่เป็นที่มาของนาโนเทคโนโลยี

จุดเปลี่ยนจากเทคโนโลยีแบบหยาบไปสู่เทคโนโลยีระดับโมเลกุลเกิดจากการค้นพบอะตอมและศาสตร์ที่อธิบายความเป็นอยู่ของสรรพสิ่งในระดับอะตอม หรือเรียกว่าเป็นกลศาสตร์ควอนตัม การพัฒนาทฤษฎีควอนตัมในระหว่างปี ค.ศ.1900-1950 นับว่าเป็นช่วงเวลาที่สำคัญมากที่สามารถเรียนรู้สมบัติต่าง ๆ ในระดับอะตอมและโมเลกุลของสาขาวิชาเคมี โดยใช้ความรู้ในเรื่องของอิเล็กตรอน ซึ่งอธิบายได้ด้วยทฤษฎีควอนตัม ในช่วงเวลาดังกล่าวได้มีนักวิทยาศาสตร์ที่สำคัญมากมาย เช่น ไอน์สไตน์ บอร์ บอร์น ออพเปนไฮเมอร์ ชโรดิงเงอร์ โบลท์สมันน์ แมกซ์เวลล์ แพลงค์ ทอมสัน รัธเทอร์ฟอร์ด เพาลี เดอบอยล์ และไฮเซนบอร์ก บุคคลต่างๆ เหล่านี้ได้ทำการศึกษา ค้นคว้า วิจัย ความเป็นไปของสรรพสิ่งในระดับ อะตอม จนกลายมาเป็นทฤษฎี ควอนตัม อันเป็นพื้นฐานของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่เกือบทุกสาขา

นาโนเทคโนโลยีกับอุตสาหกรรม

นาโนเทคโนโลยีสามารถนำมาใช้ได้ในหลากหลายสาขาเกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมในกระบวนการผลิตและปรับปรุงคุณภาพของสินค้า เป็นการเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันได้มากขึ้นไม่ว่าจะเป็นด้านไอที ดังเช่น ในการออกแบบและผลิตวัสดุใหม่ เพื่อให้วัสดุ ชิ้นส่วนหรืออุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติดีขึ้น เช่นเหล็กที่มีคุณสมบัติด้านความแข็งแกร่งแต่มีน้ำหนักเบาขึ้น การผลิตสิ่งทอพิเศษที่ทำจากเส้นใยในระดับนาโนเมตรให้สามารถกักเก็บความร้อนเพื่อทำให้อบอุ่นได้ดีกว่าปกติหรือสามารถย้อมสีได้ติดทนนาน และสามารถออกฤทธิ์ฆ่าเชื้อโรคได้ เป็นต้น

นาโนเทคโนโลยีเป็นเทคโนโลยีที่ครอบคลุมศาสตร์พื้นฐานอย่างกว้างขวาง ทั้งการค้นพบวัสดุใหม่ช่วยยกระดับและเพิ่มมูลค่าสินค้าที่มีอยู่เดิม รวมถึงการริเริ่มอุตสาหกรรมใหม่ซึ่งถือได้ว่าเป็นเทคโนโลยีในการผลิตแห่งอนาคต สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับทุกอุตสาหกรรม การสร้างขีดความสามารถในด้านนาโนเทคโนโลยีแบ่งออกได้เป็น 3 สาขา คือ

1. นาโนเทคโนโลยีชีวภาพ(Nanobiotechnology) มีการนำไปใช้ในด้านวงการการแพทย์และสาธารณสุข โดยประยุกต์ใช้กับวัสดุชีวโมเลกุล การปรับโครงสร้างระดับโมเลกุลของยาเพื่อหวังผลการทำลายชีวโมเลกุลอย่างเฉพาะเจาะจง เช่น การทำลายเซลล์มะเร็ง การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องสำอางโดยเพิ่มคุณสมบัติในการส่งผ่านสารบำรุงเข้าชั้นใต้ผิวหนังได้ดียิ่งขึ้น การพัฒนาไบโอเซ็นเซอร์หรือหัวตรวจวัดสารชีวภาพ เป็นต้น
2. นาโนอิเล็กทรอนิคส์ (Nanoelectronics) เป็นการนำนาโนเทคโนโลยีไปใช้เพื่อทำให้ผลิตภัณฑ์มีคุณภาพและทำงานอย่างมีประสิทธิภาพสูง เช่น การพัฒนาระบบไฟฟ้าเครื่องกลซูเปอร์จิ๋ว การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์และเซลล์เชื้อเพลิง การพัฒนา High-density probe storage device เป็นต้น
3. วัสดุนาโน (Nanomaterials) เป็นการปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุให้ดีขึ้นหรือให้เป็นไปตามความต้องการ เช่น ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรม การพัฒนาฟิล์มพลาสติกนาโนคอมโพสิท ที่มีความสามารถในการสกัดกั้นการผ่านของก๊าซบางชนิดและไอน้ำเพื่อการทำบรรจุภัณฑ์ ช่วยยืดอายุความสดของผัก ผลไม้ และเพิ่มมูลค่าการส่งออก การผลิตผงอนุภาคนาโนมาใช้ในการฆ่าเชื้อโรคแบคทีเรียและไวรัส เป็นต้น

นาโนเทคโนโลยีในธรรมชาติ
ในธรรมชาติรอบ ๆ ตัวเรามีพฤติกรรมที่เกี่ยวข้องกับนาโนเทคโนโลยีและสามารถพบเห็นได้ทั่วไปและมนุษย์สามารถใช้เป็นข้อมูลในการผลิตเป็นชิ้นงานต่างๆ โดยลอกเลียนแบบพื้นฐานที่ได้จากธรรมชาติและเติมแต่งผลผลิตจากนาโนเทคโนโลยีเข้าไปให้เกิดประโยชน์ เพื่อการใช้งานในภาคอุตสาหกรรมการผลิตที่ตรงกับความต้องการทางด้านวัตถุประสงค์ของงานชนิดนั้นๆ ตัวอย่างเช่น ตีนตุ๊กแก

ตุ๊กแกและจิ้งจกมีความสามารถในการใช้ตีนยึดเกาะกับข้างฝา เพดานหรือกำแพงที่ราบเรียบและลื่นโดยไม่ตกลงมาได้ ก็เพราะบริเวณใต้อุ้งตีนมีขนขนาดเล็กที่เรียกว่า ซีเต้ (Setae) มีจำนวนนับล้านเส้นเรียงตัวอัดแน่นอยู่ โดยที่ส่วนปลายของขนซีต้าแต่ละเส้นยังมีเส้นขนที่มีขนาดเล็กกว่าเรียกว่า สปาตูเล่ (Spatulae) ประกอบอยู่อีกหลายร้อยเส้น ซึ่งสปาตูเล่แต่ละเส้นจะมีขนาดเล็กมากประมาณ 200 นาโนเมตร และที่ปลายสปาตูเล่แต่ละเส้นจะสามารถสร้างแรงดึงดูดทางไฟฟ้าที่เรียกว่า แรงวานเดอวาลส์ (Vanderwaals force) ช่วยในการยึดติดกับโมเลกุลของสสารที่เป็นส่วนประกอบของผนังหรือเพดานได้ ถึงแม้ว่าแรงวานเดอวาลส์จะเป็นแรงยึดเหนี่ยวที่อ่อนมากแต่จากการที่จำนวนเส้นขนของสปาตูเล่มีอยู่นับหลายล้านเส้น จึงทำให้แรงยึดเหนี่ยวทางไฟฟ้ามีอย่างมหาศาลทำให้สามารถยึดติดกับผนังหรือเพดานได้ จากหลักการนี้จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นเทคโนโลยีแถบยึดตีนตุ๊กแก (Gecko Tape) ขึ้นจากวัสดุสังเคราะห์ชนิดใหม่ ที่มีลักษณะเป็นขนขนาดนาโน (Nanoscopic Hairs) เลียนแบบขนของสปาตูเล่ เพื่อนำไปผลิตแถบยึดที่ปราศการใช้กาวและผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ เช่น ถุงมือ ผ้าพันแผล การพัฒนาเป็นล้อของหุ่นยนต์ที่สามารถไต่ผนังหรือเคลื่อนที่ขึ้นลงในแนวดิ่งได้ เป็นต้น

ใยแมงมุม (เส้นใยนาโน) แมงมุมเป็นสัตว์ที่สามารถสร้างและปั่นทอเส้นใยได้ โดยที่ใยแมงมุมเป็นเส้นใยที่มีความแข็งแรงและเหนียวมาก ใยแมงมุมสามารถหยุดแมลงที่บินด้วยความเร็วสูงได้โดยที่ใยแมงมุมไม่ขาด นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่า แมงมุมมีต่อมพิเศษที่สามารถหลั่งโปรตีนที่ละลายในน้ำชนิดหนึ่งชื่อว่า “ไฟโบรอิน” (Fibroin) โดยเมื่อแมงมุมหลั่งโปรตีนชนิดนี้ออกมาจากต่อมดังกล่าว โปรตีนนี้จะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวไปเป็นของแข็ง หลังจากนั้นแมงมุมก็จะใช้ขาในการถักทอโปรตีนเหล่านี้เป็นเส้นใยที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งก็คือใยแมงมุมนั่นเอง มีบริษัทในต่างประเทศแห่งหนึ่ง สามารถสร้างใยแมงมุมเลียนแบบใยแมงมุมจริงขึ้นมาได้โดยการตัดต่อยีนที่ควบคุมการสร้างโปรตีนไฟโบรอินจากแมงมุม แล้วนำไปใส่ไว้ในโครโมโซมของแพะ เพื่อให้นมแพะมีโปรตีนใยแมงมุมก่อนที่จะแยกโปรตีนจากนมแพะออกมาแล้วผ่านกระบวนการปั่นทอเป็นเส้นใย เพื่อใช้ในการผลิตเสื้อเกราะกันกระสุนที่แข็งแรงแต่มีน้ำหนักเบาขึ้น โดยเส้นใยที่สร้างขึ้นมานี้มีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กถึงห้าเท่าเทียบที่น้ำหนักเท่ากัน นอกจากนี้ยังสามารถนำใยแมงมุมไปใช้เป็นเส้นใยผ้ารักษาแผลสดได้อีกด้วย

หลายประเทศทั่วโลกมีการลงทุนด้านนาโนเทคโนโลยีโดยเฉพาะอย่างยิ่งประเทศสหรัฐอเมริกาญี่ปุ่น และประเทศในยุโรป ได้ทุ่มเทงบประมาณเพื่อการวิจัยด้านนี้เป็นจำนวนมาก และในส่วนของประเทศไทยนั้น ได้มีการจัดตั้งศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติอย่างเป็นทางการตามมติคณะรัฐมนตรีเมื่อวันที่ 13 สิงหาคม 2546 อยู่ภายใต้การกำกับดูแลของสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) มีหน้าที่เป็นหน่วยงานหลักในการจัดทำแผนแม่บทการพัฒนานาโนเทคโนโลยี เพื่อกำหนดแนวทาง มาตรกร และแผนการดำเนินงาน รวมทั้งแผนพัฒนาศักยภาพของบุคลากร นักวิชาการด้านนาโนเทคโนโลยีของประเทศไทย และการสร้างผลลัพธ์ที่เสริมซึ่งกันและกัน โดยการประสานความร่วมมือกับมหาวิทยาลัย กระทรวง ทบวง กรม ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด ตัวอย่างงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับนาโนเทคโนโลยี เช่น อุปกรณ์นาโนที่สังเคราะห์จากสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor Devices) เช่น จุดควอนตัม (Quantum Dot) เซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูงชนิดใหม่ อุปกรณ์นำแสงและออพติก และทรานซิสเตอร์โมเลกุล การสร้างวัสดุนาโนพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และสามารถใช้เป็นวัสดุในการนำส่งยาและโปรตีน การใช้นาโนเทคโนโลยีทางด้านสิ่งแวดล้อมในการตรวจสอบการปนเปื้อนและบำบัดของเสีย Biosensors และ Tissue engineering ด้านพลังงาน อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องสำอาง เป็นต้น

นาโนเทคโนโลยีที่เกิดในธรรมชาติมีอะไรบ้าง

นาโนธรรมชาติจากใยแมงมุมสามารถนำมาผลิตอะไรได้

แคลเซียมคาร์บอเนตพบอยู่ในนาโนเทคโนโลยีในธรรมชาติชนิดใด

นาโนเทคโนโลยีมีสมบัติเฉพาะตัวอย่างไร