รางวัลโนเบล สาขาเคมี 2023 ผู้ปลูกควอนตัมดอทส์ เมล็ดพันธุ์แห่งวงการนาโนเทคโนโลยี

รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2023 ได้มอบรางวัลให้กับการค้นพบและการพัฒนาควอนตัมดอทส์(Quantum Dots, QTDs) หรือ “จุดควอนตัม” ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากในระดับ 1-10 นาโนเมตร ทุกคนที่ศึกษาวิชาเคมีคงจะทราบว่าสมบัติของธาตุนั้นขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่ อย่างไรก็ตามเมื่ออนุภาคมีขนาดเล็กมากจนถึงระดับนาโนจะเกิดปรากฏการณ์ควอนตัมขึ้น จึงทำให้อนุภาคควอนดัมดอทส์เกิดสมบัติพิเศษที่ต่างจากอนุภาคขนาดใหญ่ทั่วไป ซึ่งสมบัติที่น่าทึ่งและโดดเด่นของควอนตัมดอทส์ นำไปสู่การประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีต่างๆ มากมาย เช่น เป็นตัวกำเนิดแสงจากในจอโทรทัศน์และหลอดไฟ QLED และยังสามารถช่วยให้ศัลยแพทย์มองเห็นเนื้องอกขนาดเล็กและผ่าตัดได้แม่นยำจากภายในร่างกายผู้ป่วย เป็นต้น

Alexei I. Ekimov ผู้ไขความลึกลับของกระจกสี

หนึ่งในปรากฏการณ์ควอนตัมที่มีมาช้านานนั้นมาจากวงการเป่าแก้ว ช่างเป่าแก้วทุกคนทราบดีว่า เมื่อเจือโลหะลงไปในแก้วด้วยปริมาณที่ต่างกัน จะสามารถผลิตแก้วที่มีสีต่างกันได้ ปรากฏการณ์นี้ทำให้นักฟิสิกส์อย่าง Alexei I. Ekimov สนใจเป็นอย่างมาก เพราะมันดูไม่มีเหตุผลเอาซะเลย หากคุณวาดภาพด้วยสีแดงจากแคดเมียม มันก็จะต้องเป็นสีแดงสีเดิมเสมอ เว้นแต่คุณจะผสมเม็ดสีอื่นเข้าไป แล้วสารชนิดเดียวกันจะทำให้แก้วมีสีต่างกันได้อย่างไร?

ในสมัยที่ Alexei Ekimov ทำวิทยานิพนธ์ในระดับปริญญาเอกเกี่ยวกับวัสดุกึ่งตัวนำ (semiconductor) ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ เขาได้ใช้แสงเป็นเครื่องมือสำคัญในการวิเคราะห์และประเมินคุณภาพของวัสดุ เนื่องจากสมบัติการดูดกลืนแสง (absorption) สามารถบ่งบอกองค์ประกอบและคุณภาพความเป็นผลึกของวัสดุได้ Ekimov จึงได้นำเทคนิคเดียวกันนี้มาใช้วิเคราะห์กระจกสี เขาเลือกผลิตแก้วที่ย้อมสีด้วยคอปเปอร์คลอไรด์ (CuCl) และให้ความร้อนแก้วในช่วงอุณหภูมิระหว่าง 500°C ถึง 700°C เป็นเวลาตั้งแต่ 1 ถึง 96 ชั่วโมง เมื่อแก้วเย็นลงและแข็งตัว เขาจึงวิเคราะห์แก้วดังกล่าวด้วย X-ray เพื่อศึกษาผลึกคอปเปอร์คลอไรด์เล็กๆ ที่ก่อตัวขึ้นภายในแก้ว เขาพบว่าอุณหภูมิในการผลิตส่งผลต่อขนาดของอนุภาคเหล่านี้ ทำให้ผลึก CuCl มีขนาดตั้งแต่ประมาณ 2 นาโนเมตร ถึง 30 นาโนเมตร

สิ่งที่น่าสนใจก็คือ การดูดกลืนแสงของกระจกสีนั้นขึ้นกับขนาดของอนุภาค อนุภาคที่ใหญ่ที่สุดดูดกลืนแสงในลักษณะเดียวกับคอปเปอร์คลอไรด์ทั่วๆ ไป แต่ยิ่งอนุภาคมีขนาดเล็ก แสงที่ดูดกลืนได้ก็จะยิ่งเป็นสีฟ้ามากขึ้นเท่านั้น ในฐานะนักฟิสิกส์ Ekimov มีความคุ้นเคยเป็นอย่างดีกับกลศาสตร์ควอนตัมและตระหนักได้อย่างรวดเร็วว่านี่คือปรากฎการณ์ quantum effect

Ekimov ได้ตีพิมพ์ผลการค้นพบของเขาในวารสารวิทยาศาสตร์ของโซเวียตในปี 1981 แต่บทความของเขานั้นดันเป็นภาษารัสเซีย ทำให้ยังไม่มีใครจากโลกตะวันตกทราบว่าได้มีผลงานตีพิมพ์เกี่ยวกับควอนตัมดอทส์ออกมาแล้ว

 

Louis E. Brus ผู้บุกเบิกความอัศจรรย์ของอนุภาคขนาดเล็ก

ในช่วง 1980s Louis E. Brus เป็นนักวิจัยที่ Bell Laboratories ในสหรัฐอเมริกา โจทย์วิจัยของเขามีเป้าหมายระยะยาวคือ การทำให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ และเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ เขาเลือกใช้อนุภาคแคดเมียมซัลไฟด์ (Cadmium Sulfide: CdS) ซึ่งสามารถดูดกลืนแสงเพื่อเป็นพลังงานขับเคลื่อนปฏิกิริยาได้ (หรือที่เรารู้จักกันในนามว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง หรือ photocatalyst นั่นเอง) Brus ตั้งสมมุติฐานว่า หากทำให้อนุภาค CdS มีขนาดเล็กมากๆ ก็จะยิ่งมีพื้นที่ผิวที่ใช้ทำปฏิกิริยาได้มากยิ่งขึ้น เขาจึงมุ่งสังเคราะห์ CdS ที่มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะควบคุมได้

ระหว่างที่เขาทำงานกับอนุภาคขนาดเล็กๆ เหล่านี้ Brus สังเกตเห็นปรากฏการณ์ที่น่าฉงน นั่นคือสมบัติทางแสงของอนุภาคที่เป็นคอลลอยด์ในของเหลวเปลี่ยนไปหลังจากที่เขาทิ้งมันไว้สักพักหนึ่ง เขาเดาว่าอาจเป็นเพราะอนุภาคมีขนาดใหญ่ขึ้น ดังนั้นเพื่อยืนยันสมมุติฐาน เขาจึงสังเคราะห์อนุภาคแคดเมียมซัลไฟด์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงประมาณ 4.5 นาโนเมตร เทียบกับอนุภาคขนาดใหญ่ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 12.5 นาโนเมตร เขาพบว่า อนุภาคขนาดใหญ่ดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นเดียวกันกับแคดเมียมซัลไฟด์ทั่วไป แต่อนุภาคขนาดเล็กมีการดูดกลืนแสงไปทางสีน้ำเงินมากขึ้น (ดังภาพ) Brus จึงมั่นใจว่าเขาสิ่งที่เค้าพบคือปรากฏการณ์ควอนตัม (quantum effect) ที่ขนาดของอนุภาคส่งผลต่อสมบัติทางกายภาพของวัสดุ เขาตีพิมพ์การค้นพบของเขาในปี 1983 หลังจาก Ekimov ไม่นาน จากนั้นก็เริ่มตรวจสอบอนุภาคที่เกิดจากสสารอื่นๆ หลายชนิด และพบว่ายิ่งอนุภาคมีขนาดเล็กเท่าไร พวกมันก็จะยิ่งดูดกลืนแสงสีฟ้ามากขึ้นเท่านั้น

Moungi G. Bawendi ผู้คิดสูตรควอนตัมดอทส์ที่ใช้งานได้จริง

Moungi Bawendi เข้าสู่วงการควอนตัมดอทส์จากการฝึกงานระหว่างซัมเมอร์ที่ Bell Labs ระหว่างการเรียนปริญญาเอก หลักจากเรียนจบ เขาเข้าร่วมกลุ่มวิจัยของ Louis Brus ในฐานะนักวิจัยหลังปริญญาเอก (postdoc) ในปี 1988 ในยุคแรกเริ่มของวงการควอนตัมดอทส์ ปัญหาที่ท้าทายที่สุดคือการสังเคราะห์ควอนตัมดอทส์ที่มีคุณภาพสูง มีขนาดเท่ากัน ผิวเรียบไร้ตำหนิ และมีปริมาณมากพอที่จะนำไปใช้จริงในอุตสาหกรรม Bawendi ได้รับโจทย์ที่ยากยิ่งนี้ เขาได้ทดลองสูตรสังเคราะห์ต่างๆ โดยใช้สารหลากหลายชนิด ปรับเปลี่ยนทั้งตัวทำละลาย อุณหภูมิ และเทคนิคต่างๆ เพื่อพยายามสร้างผลึกอนุภาคนาโนที่คุณภาพดีขึ้น

โจทย์ที่ว่านี้ใช้เวลามากกว่าที่คิด แต่ Bawendi ก็ไม่เคยยอมแพ้ แม้จะได้งานประจำเป็นอาจารย์ที่ภาควิชาเคมี สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (Massachusetts Institute of Technology: MIT) เขายังคงพยายามอย่างต่อเนื่องในการสังเคราะห์อนุภาคนาโนที่มีคุณภาพสูงขึ้น

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญเกิดขึ้นในปี 1993 เมื่อกลุ่มวิจัยฉีดสารตั้งต้นในการผลิตอนุภาคลงในตัวทำละลายร้อนๆ ที่มีจุดเดือดสูงและคุณสมบัติเหมาะสม การฉีดสารตั้งต้นเข้าไปปริมาณมากทำให้สารละลายเกิดการอิ่มตัวยิ่งยวดและตกผลึก (nucleation) พร้อมๆ กันทันทีแล้วหยุด เนื่องจากอุณหภูมิโดยรวมลดต่ำลง (เพราะสารที่ฉีดเข้ามาอุณหภูมิต่ำกว่าตัวทำละลาย) จากนั้นด้วยการปรับอุณหภูมิและควบคุมเวลาในการทำปฏิกิริยา Bawendi จึงประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์อนุภาคนาโนที่มีรูปทรงเกือบจะสมบูรณ์แบบ และมีขนาดตามที่กำหนด ทำให้เกิดปรากฏการณ์ควอนตัมที่แตกต่างกันออกไปอย่างชัดเจน ด้วยวิธีการสังเคราะห์ที่แสนง่ายแบบปฏิวัติวงการ ทำให้นักเคมีทั่วโลกหันมาสนใจนาโนเทคโนโลยี โดยเฉพาะการศึกษาสมบัติของควอนตัมดอทส์มากขึ้นเรื่อยๆ

ในปัจจุบัน เราสามารถพบเจอควอนตัมดอทส์ได้ในจอทีวีแบบ QLED ซึ่งเจ้า Q ที่ว่าก็ย่อมาจาก Quantum dot นี่เอง หลักการทำงานของมันก็คือ เมื่อควอนตัมดอทส์รับแสงสีฟ้าจาก LED มันจะดูดกลืนแสงนั้นและคายแสงสีอื่นออกมา ซึ่งการปรับเปลี่ยนขนาดของควอนตัมดอทส์ทำให้เราได้แสงเขียวและแดง เพียงพอที่จะสร้างสี RGB ที่จำเป็นในจอทีวี นอกจากจะใช้จูนสีของแสงไฟต่างๆ แล้ว ควอนตัมดอทส์ยังมีประโยชน์ในทางชีวเคมีและการแพทย์ สามารถใช้ติดแท็กสีให้กับเซลล์และเนื้องอกในร่างกาย หรือเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในวงการเคมี ที่ใช้ควอนตัมดอทส์ในการทำปฏิกิริยาเชิงแสง เป็นเซนเซอร์ หรือเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่สำคัญต่างๆ อีกมากมาย

 

อ้างอิง

https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/popular-chemistryprize2023.pdf

 

เรียบเรียงโดย ดร.วรรณวิทู วรรณโมลี และ นายอภินันท์ แสงศรีจันทร์
บรรณาธิการ ดร. ปองกานต์ จักรธรานนท์

โพสต์ที่คุณน่าจะสนใจ

CCUS เทคโนโลยีกำจัดคาร์บอน สู่ทางรอดของประเทศไทย?

สวัสดีปีใหม่ 2567 ผู้อ่านทุกท่าน ปีเก่าผ่านไปปีใหม่เข้ามาพร้อมกับความท้าทายโจทย์ใหญ่โจทย์เดิม คือ สภาวะโลกร้อน ที่ทำให้เกิดสภาพอากาศแปรปรวน อันส่งผลกระทบต่อชีวิตมนุษย์และระบบนิเวศของโลก สภาวะโลกร้อนนี้มีสาเหตุหลักมาจากกิจกรรมของมนุษย์ที่เพิ่มปริมาณก๊าซเรือนกระจกในบรรยากาศ โดยก๊าซเรือนกระจกหลักก็คือคาร์บอนไดออกไซด์

CARBANO เทคโนโลยีผลิตถ่านกัมมันต์ประสิทธิภาพสูงจากวัสดุคาร์บอน

ประเทศไทยขึ้นชื่อว่าเป็นประเทศแห่งอุตสาหกรรมเกษตรและมีวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรที่มากมายหลายหลาก การนำวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรมาแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์มูลค่าสูงจึงเป็นหนึ่งในแนวคิดสำคัญที่จะช่วยเพิ่มรายได้ให้กับอุตสาหกรรมเกษตรของประเทศไทย หนึ่งในผลิตภัณฑ์มูลค่าสูงที่สามารถผลิตได้จากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร คือ ถ่านกัมมันต์ (activated carbon) ซึ่งเป็นถ่านที่มีรูพรุนปริมาณมาก สามารถนำไปใช้ดูดซับและกำจัดสิ่งปนเปื้อนเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่สะอาดเหมาะกับการนำไปใช้อุปโภคและบริโภคในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น

รางวัลโนเบล สาขาเคมี 2023 ผู้ปลูกควอนตัมดอทส์ เมล็ดพันธุ์แห่งวงการนาโนเทคโนโลยี

รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2023 ได้มอบรางวัลให้กับการค้นพบและการพัฒนาควอนตัมดอทส์(Quantum Dots, QTDs) หรือ “จุดควอนตัม” ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากในระดับ 1-10 นาโนเมตร

รู้จักกับ “ลิกนิน” สารธรรมชาติที่แสนจะไม่ธรรมดา

ลิกนิน (Lignin) เป็นพอลิเมอร์ธรรมชาติ ที่สามารถพบได้ในพืชทั่วไปสูงถึง 30% ทำหน้าที่เปรียบเสมือนกาวประสานช่วยยึดโครงสร้างพืชให้มีความแข็งแรง นอกจากนี้ยังช่วยลดการระเหยของน้ำ และช่วยป้องกันการถูกทำลายของเนื้อเยื่อจากจุลินทรีย์ได้อีกด้วย ลิกนินมีโครงสร้างแบบอะโรมาติก (Aromatic

หมวดหมู่

โพสต์ยอดนิยม

Biorefinery series: การผลิตกรดแลคติกจากน้ำตาล ด้วยกระบวนการเชิงเคมีความร้อน

ไบโอรีไฟเนอรี่ (Biorefinery) หรือ อุตสาหกรรมพลังงานและเคมีชีวภาพ คือ อุตสาหกรรมการผลิตแห่งอนาคตที่นำชีวมวล หรือวัตถุดิบที่ได้จากพืช มาใช้เป็นสารตั้งต้น (feedstock) ในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ

Biorefinery series: น้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพจากน้ำมันปาล์ม

น้ำมันปาล์มเป็นน้ำมันพืชที่ได้จากผลของต้นปาล์มน้ำมันซึ่งเป็นพืชเศรษฐกิจที่หมุนเวียนได้ น้ำมันปาล์มนั้นสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างหลากหลาย ตั้งแต่นำมาใช้ได้โดยตรงเพื่อการปรุงอาหาร นำมาผลิตเป็นผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง หรือนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมโอลีโอเคมี (oleochemical industry) เช่น ผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพ (biolubricant)

โพสต์ล่าสุด

นาโนสารสนเทศและปัญญาประดิษฐ์ ใน ยุค Web 3.0

เราคงคุ้นเคยกับคำว่า ปัญญาประดิษฐ์ หรือ AI เป็นอย่างดี ว่าจะมาช่วยมนุษย์ทำงาน คิดวิเคราะห์ข้อมูล และช่วยในการตัดสินใจ ทำให้เราทำงานได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น เนื่องจาก

การคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์ภายใต้กลุ่มวิจัย NCAS (ตอนที่ 1)

การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีใหม่ๆ เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการเคมี โดยหลักการนั้นไม่ต่างจากการออกแบบรถยนต์ ที่ต้องอาศัยความรู้ความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับการทำงานของเครื่องยนต์ แต่ในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี เครื่องยนต์กลไกที่เป็นหัวใจของการเกิดปฏิกิริยานั้น เป็นผลมาจากแรงอันตรกิริยาที่เป็นแรงดูดหรือแรงผลักระหว่างพื้นผิวของตัวเร่งและโมเลกุลของสาร ซึ่งปรากฎการณ์ดังกล่าวนั้นเกิดขึ้นในระดับนาโนเมตรหรือเล็กกว่า การวิเคราะห์วัสดุที่มาตราส่วนดังกล่าวนั้นมีความซับซ้อนและมักมีข้อกำจัดด้านเครื่องมือ หรือในบางกรณีสมบัติที่สำคัญนั้นยังไม่สามารถวัดได้โดยเครื่องมือที่มีอยู่ในปัจจุบัน