นาโนเทคโนโลยี  หน่วยที่ 1: ประวัติวิทยาศาสตร์ระดับนาโน  คริสตศตวรรษที่ 20 (4)  
     
     
 
 
     
   
     
 
 
     
 
     
 
   ทีโอดอร์ ฟูลตัน (Theodore Fulton) และเจอรัลด์ โดแลน (Gerald Dolan) นักวิจัยในห้องปฏิบัติการเบล (Bell Labs) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้สร้างผลงานการประดิษฐ์ใหม่ที่เรียกว่า ทรานซิสเตอร์แบบอิเล็กตรอนเดี่ยวลอดผ่าน (single-electron tunneling transistor : SET) โดยภายในอุปกรณ์นี้สามารถควบคุมการเคลื่อนที่โดยลอดผ่านของอิเล็กตรอนเดี่ยวได้  ซึ่งเป็นการควบคุมในระดับนาโนได้เป็นผลสำเร็จครั้งแรก โดยอุปกรณ์นี้จะทำงานโดยอาศัยปรากฏการณ์การลอดผ่านระดับควอนตัมของอิเล็กตรอน (tunnel effect)   ข้ามผ่านฉนวนหนาประมาณ 1 นาโนเมตรที่กั้นขวางระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองขั้ว (ประมาณฉนวนนั้นได้ว่าเป็นอะตอมจำนวน 3 อะตอมเรียงตัวกันเป็น 1 แถว)
 
     
   
     
 
ควอนตัม ดอท (quantum dot) ของแคดเมียมเซลิไนด์ (CdSe)
 
     
 
          ดร.หลุยส์ บรัส (Louis Brus) และทีมวิจัยของเขา ณ ห้องปฏิบัติการเบลล์ (Bell Labs) ได้ประสบกับเหตุการณ์สำคัญหนึ่งต่อการพัฒนาทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโน โดยค้นพบว่าผลึกระดับนาโนที่มีขนาดต่างๆ กันของสารกึ่งตัวนำชนิดเดียวกัน เช่น สารกึ่งตัวนำแคดเมียมเซลิไนด์ (CdSe) สามารถแสดงพฤติกรรมของสีที่แตกต่างกันออกไปอย่างน่าประหลาดใจ ซึ่งผลึกที่มีขนาดระดับนาโนเมตรของสารกึ่งตัวนำเหล่านี้เรียกกันว่าควอนตัม ดอท (quantum dot) และจากผลงานการค้นพบนี้ก็ทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้เข้าใจขอบเขตของปรากฎการณ์ระดับควอนตัม ที่เกิดขึ้นในความสัมพันธ์ระหว่างขนาดและสีของผลึกนาโนมากยิ่งขึ้น
 
     
 
          ควอนตัม ดอท มีขีดความสามารถที่จะปฏิวัติวิธีการเก็บสะสมพลังงานแสงอาทิตย์ สามารถนำมาใช้สำหรับการวินิจฉัยทางด้านการแพทย์  โดยถูกใช้เป็นตัวบ่งชี้ (indicator) ทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพ และนำมาพัฒนาสู่อุปกรณ์คุณสมบัติทางแสงระดับนาโน  อย่างเช่น แอลอีดี (LEDs) เป็นต้น
 
     
   
     
 
 
Don Eigler
  
จัดเรียงธาตุซีนอนเป็นอักษร IBM
 
     
 
          นักฟิสิกส์ของศูนย์วิจัยไอบีเอ็ม (IBM) ชื่อดอน ไอเกลอร์ (Don Eigler) ประสบความสำเร็จในการจัดเรียงอะตอมของธาตุซีนอน (xenon) ทีละอะตอมเป็นตัวอักษร IBM ได้อย่างแม่นยำ  ซึ่งเป็นการจัดเรียงอะตอมในระดับนาโนเมตรโดยใช้เครื่อง STM (Scanning Tunneling Microscope) ซึ่งเป็นเหตุการณ์หนึ่งที่พิสูจน์ให้เห็นว่า  เทคโนโลยีของมนุษย์สามารถเข้าไปจัดการสร้างโครงสร้างในระดับอะตอมได้
 
     
   
     
 
 
Sumio Lijima
  
ท่อนาโนคาร์บอน
 
     
 
          ซูมิโอะ ลิจิมะ (Sumio Lijima) นักวิจัยของบริษัทเอ็นอีซี (NEC) ประเทศญี่ปุ่น ได้ค้นพบโครงร่างแบบใหม่ของคาร์บอนที่เป็นลักษณะท่อเล็กที่มีขนาดในระดับนาโนเมตร  หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า ท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotube) ที่เกิดขึ้นมาจากแผ่นกราไฟต์  และหลังจากนั้นอีกสองปีลิจิมะก็ทำงานร่วมกันกับโดนัล เบททูน (Donald Bethune) ของบริษัทไอบีเอ็ม (IBM) ประเทศสหรัฐอเมริกา  ได้ทำการสำรวจพบว่าโครงสร้างท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวนั้น  เป็นโครงสร้างมีขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1-2 นาโนเมตรเท่านั้น
 
     
 
          ท่อนาโนคาร์บอนสามารถแสดงพฤติกรรมได้เหมือนกับโลหะหรือสารกึ่งตัวนำ  แต่สามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดง  สามารถถ่ายโอนความร้อนได้ดีกว่าเพชร  และเป็นโครงสร้างวัสดุที่แข็งแรงที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยรู้จักกันมา  ดังนั้นในปัจจุบันจึงมีการนำท่อนาโนคาร์บอนมาประยุกต์ใช้ประโยชน์กันมากในด้านต่างๆ  โดยเฉพาะคุณสมบัติพิเศษทางด้านไฟฟ้าและเชิงกล 
  
     
   
     
 
อนุภาคนาโนทองคำที่ถูกยึดติดกับดีเอ็นเอ
 
     
 
          ตั้งแต่ไมเคิล ฟาราเดย์ค้นพบคุณสมบัติที่พิเศษทางอิเล็กทรอนิกส์และทางแสงของคอลลอยด์ธาตุทองคำในปี ค.ศ. 1857  เหล่านักวิจัยก็พยายามที่จะศึกษาและนำความพิเศษนี้ไปประยุกต์ใช้กันเป็นอย่างมาก 
 
     
 
          ในปี ค.ศ. 1996 นักวิจัยชื่อแชด เมอร์กิ้น (Chad Mirgin) และโรเบิร์ต เล็ทซิงเกอร์ (Robert Letsinger) แห่งมหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์น (Northwestern University) ประเทศสหรัฐอเมริกา  ได้ค้นพบวิถีทางในการนำคอลลอยด์ของธาตุทองคำมาประยุกต์ใช้งานทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโน  โดยที่พวกเขาทำการประกอบสายเกลียวของดีเอ็นเอสังเคราะห์เข้ากับอนุภาคนาโนของทองคำได้สำเร็จ  และเนื่องจากคุณสมบัติที่พิเศษของดีเอ็นเอ  ที่แต่ละสายเกลียวสามารถที่จะประกอบตัวเข้าด้วยกันอย่างถูกต้องกับอีกสายเกลียวหนึ่งได้  ดังนั้นแล้วความเป็นไปได้ที่จะเกิดขึ้นก็คือดีเอ็นเอจึงถูกใช้เป็นเสมือนพิมพ์เขียวในกระบวนการทำงาน  เพื่อคัดเลือกและสร้างสารอนินทรีย์ใหม่ขึ้นมาได้  และจากการใช้คุณสมบัติการประกอบตัวกันเองได้อย่างถูกต้องของดีเอ็นเอนี้  เหล่านักวิจัยสามารถที่จะสังเคราะห์สารใหม่ที่มีคุณสมบัติพิเศษขึ้นมา  เพื่อใช้เป็นหน่วยโครงสร้างพื้นฐานระดับนาโนและมันก็สามารถสร้างตัเองขึ้นมาเองได้ ซึ่งผลจากการค้นพบนี้  ทำให้เหล่านักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจในสถาปัตยกรรมการออกแบบโครงสร้างของสารประกอบร่วมกัน  ระหว่างสารอินทรีย์และ สารอนินทรีย์ ในระดับนาโนกันอย่างจริงจังมากขึ้น
 
     
   
     
 
บันทึกคำกล่าวของ ดร.เฟรย์แมน
 
     
 
          การพัฒนาที่สำคัญยิ่งในแวดวงของเทคนิคการใช้เครื่องมือทางด้านนาโนเทคโนโลยี คือวิธีการ Dip-pen Nanolithography หรือ DPN ซึ่งถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี ค.ศ. 1999 โดยแชด เมอร์กิน (Chad Mirgin) ศาสตราจารย์ทางด้านเคมีและเป็นผู้บริหารของสถาบันนาโนเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยนอร์ท เวสเทิร์น (Northwestern University) ประเทศสหรัฐอเมริกา  ซึ่งสร้างขึ้นมาจากแรงบันดาลใจของปากกาขนนกที่ใช้กันในอดีต โดยวิธีการ DPN นี้เป็นการใช้ปลายแหลมของเครื่อง AFM เป็นปากกาสำหรับเขียนลงบนพื้นผิววัตถุ โดยใช้อะตอมเดี่ยวของธาตุใดธาตุหนึ่งเป็นน้ำหมึก (ซึ่งก็เป็นน้ำหมึกที่มีมิติของขนาดระดับนาโนเมตร)  เพื่อสร้างโครงสร้างระดับนาโนขึ้นมา