ชั่งมวลอะตอมตัวเดียวได้ด้วยคาร์บอนนาโนบิวบ์

 

คุณชั่งน้ำหนักอะตอม 1 อะตอมได้หรือไม่? วันนี้ นักวิจัยยุโรปสามารถทำได้แล้วด้วยกการสร้างอุปกรณ์ชนิดใหม่ขึ้นมาใช้สำหรับชั่งน้ำหนักอะตอมโดยเฉพาะ โดยใช้”คาร์บอนนาโนทิวบ์” อันจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเข้าใจกรบวนการการเปิดปฏิกิริยาเคมีระดับโมเลกุลต่อโมเลกุลได้เลยทีเดียว

 

คาร์บอนนาโนทิวบ์เป็นเส้นใยของคาร์บอนที่บางมากและเป็นความฝันของนักนาโนเทคโนโลยีเลยทีเดียว คาร์บอนนาโนทิวบ์นีทำมาจากแผ่นอะตอมของคาร์บอนที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว หรือที่รู้จักกันในชื่อ กราฟีน แล้วม้วนขึ้นเป็นท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงไม่กี่นาโนเมตร แม้แต่คาร์บอนนาโนทิวบ์ที่ใหญ่ที่สุดยังมีขนาดบางกว่าเส้นผมมนุษย์เป็นพันเท่าเลยทีเดียว

 

คาร์บอนนาโนทิวบ์เป็นที่ฮือฮาอย่งมากในช่วงทศวรรษที่ 1990 เมื่อครั้งที่มีการค้นพบคุณสมบัติที่น่าสนใจของคาร์บอนนาโนทิวบ์นี้ จนกระทั่งได้กลายมาเป็นวัสดุที่สำคัญอย่างมากต่อวงการนาโนเทคโนโลยีไปแล้ว

 

“พวกมันมีคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์มาก แข็งแรงกว่าเหล็กกล้าเป็นพันเท่า แถมยังนำความร้อนและกระแสไฟฟ้าได้ดีอีกด้วย” ศาสตราจารย์ Pertti Hakonen แห่งมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีแห่งเฮลซิงกิกล่าว

 

และ ศ.Hakonen ก็ได้ร่วมกับโครงการ CARDEQ ในความช่วยเหลือของ EU ได้นำวัสดุคาร์บอนนาโนทิวบ์นี้มาใช้ในการสร้างอุปกรณ์ที่มีความไวสูงมากพอที่จะวัดมวลของอะตอมหรือโมเลกุลได้แล้ว

 

คาร์บอนนาโนบิวบ์นี้มีลักษณะเด่นคือความบางแต่เหนียว แข็งแรง และสั่นได้เหมือนกับสายสตริงทั่วๆไป นักกีตาร์ส่วนใหญ่จะรู้ว่าสายสตริงที่หนักกว่าจะสั้นช้ากว่าสายสตริงที่เบากว่า ฉะนั้นแล้ว หากทำให้คาร์บอนนาโนทิวบ์ที่ถูกตรึงสั่นที่ความถี่ธรรมชาติของมันแล้ว ความถี่นี้ก็จะตกลงไปหากว่ามีอะตอมหรือโมเลกุลมายึดเกาะกับมัน

 

ฟังดูเหมือนง่าย แต่แนวความคิดนี้ก็ไม่ใช่เรื่องใหม่ แต่เรื่องที่นักวิจัยค้นพบใหม่คือการทำระบบเซนเซอร์ที่ละเอียดอ่อนเพื่อตรวจจับการสั่นและวัดความถี่ นาโนทิวบ์บางชนิดยังสามารถเปลี่ยนเป็นสารกึ่งตัวนำได้อีกด้วย ขึ้นอยู่กับว่าแผ่นกราฟีนนั้นจะม้วนอย่างไร ซึ่งเป็นวิธีแก้ไขปัญหาที่ทาง CARDEQ พัฒนาขึ้นในครั้งนี้

 

สมาชิกของสมาคมได้นำวิธีการนำนาโนทิวบ์ให้เป็นทรานซิสเตอร์มาใช้ โดย ศ.Hakonen อธิบายว่า “นาโนทิวบ์ที่ถูกตรึงไว้นี้คือวัตถุที่สั่นและอ่านค่าบนทรานซิสเตอร์ได้ไปพร้อมๆกันเลย”

 

“แนวคิดของเราคือจะใช้ตัวตรวจจับที่แตกต่างกัน 3 ตัวโดยทำงานแบบขนานกันแล้วเลือกตัวที่ดีที่สุดมา ฉะนั้นเราก็มีคอนเซปเรื่องการขนถ่ายอิเล็กตรอนตัวเดียวแล้ว ซึ่งจะมีความไวกว่า และก็มีคอนเซปเรื่องผลกระทบต่อสนาม ซึ่งจะเร็วกว่า”

 

เมื่อเดือนพฤศจิกายนปีที่แล้ว พาร์ทเนอร์ของ CARDEQ ในบาร์เซโลน่าได้รายงานว่าพวกเขาสามารถวัดมวลของอะตอมโครเมียมหนึ่งอะตอมได้แล้วโดยการใช้นาโนบิวบืนี้ แต่ Hakonen ก็บอกว่าเครื่องของเขานี้สามารถวัดได้ดีกว่านั้น คือ แม้แต่อะตอมของอาร์กอน พวกเขาก็ยังสามารถตรวจจับได้ แม้ว่าเครื่องดังกล่าวจะยังไม่เสถียรพอที่จะวัดได้อย่างแม่นยำมากก็ตาม

 

“ถ้าเครื่องทำงานดี เราสามารถเห็นอะตอมอาร์กอนอะตอมเดียวในช่วงเวลาสั้นๆได้เลยนะ แต่ถ้าวัดนานเกินไป ปัจจัยรบกวนมันจะมากเกินไป”

 

CARDEQ นี้ไม่ใช่องค์กรเดียวที่กำลังวิจัยเรื่องเครื่องวัดมวลแบบคาร์บอนนาโนทิวบ์นี้ โดยตอนนี้นักวิจัยของแคลิฟอร์เนีย-เบิร์กเลย์ และคาลเท็กก็กำลังขะมักเขม่นกับการวิจัยชิ้นนี้อยู่เช่นกัน แต่จะใช้วิธีการวัดมวลที่ไม่เหมือนกับของยุโรปนี้

 

ทั้งสามองค์กรได้ประกาศออกมาแล้วว่าพวกเขาสามารถตรวจจับมวลระดับอะตอมได้โดยใช้นาโนบิวบ์แล้ว แต่นักวิจัยของ CARDEQ นั้นได้ข้อมูลที่น่าเชื่อถือได้ที่สุดแล้ว เพราะมีการวัดจากความถี่เรโซแนนซ์โดยตรง นอกไปกว่านั้น Hakonen ยังมั่นใจด้วยว่าภายภาคหน้า พวกเขาจะสามารถตรวจวัดมวลของนิวคลีออน อย่างโปรตอนหรือนิวตรอนได้ด้วยซ้ำไป

 

“นี่แหละที่เราไม่เหมือน การพัฒนาอุปกรณ์นี้เป็นแบบก้าวกระโดด ไม่เหมือนกับอุปกรณ์ที่กำลังพัฒนาอยู่บางตัวที่เราทำได้แค่แบบค่อยเป็นค่อยไป นี่จึงเป็นงานระดับแนวหน้าของเราอย่างแท้จริง”

 

ถ้าหากเครื่องนี้ถูกพัฒนาจนวัดนิวคลีออนหนึ่งตัวได้จริง นักวิจัยก็จะสามารถวัดโมเลกุลและอะตอมหลากหลายประเภทแบบ real-time ได้เลย อันจะนำมาซึ่งการวิเคราะห์กัมมันตรังสีของนิวเคลียงเพียงนิวเคียสเดียว และศึกษาปรากฎการณ์ทางกลศาสตร์ควอนตัมได้เลยทีเดียว

 

แต่สิ่งที่น่าสนใจจริงๆและไม่ใช่เรื่องแห่งอนาคตเลยคือเครื่องนี้อาจจะนำไปติดตามปฏิกิริยาเคมี และปฏิกิริยาทางชีววิทยาได้ถึงระดับอะตอมเดี่ยวหรือโมเลกุลเดี่ยวได้โดยการใช้การสั่นของนาโนทิวบ์นี้ เมื่อมีการนำไปศึกษาทางชีววิทยาโมเลกุลแล้ว นักวิจัยก็จะยิ่งเข้าใจกระบวนการของสิ่งมีชีวิตที่ซ่อนเร้นมานานได้อีกด้วย ซึ่ง ศ.Hakonen คาดการณ์เอาไว้ว่าน่าจะใช้เวลาในเรื่องนี้อีกสักประมาณ 10 ปี

 

“มันขึ้นอยู่กับว่าเทคโนโลยีคาร์บอนนาโนทิวบ์ถูกพัฒนาไปมากน้อยเพียงใด ผมไม่สามารถคาดการณ์ได้หรอกว่าอะไรจะเกิดขึ้น แต่ผมคิดว่าการประยุกต์ใช้งานหลักๆน่าจะเป็นเรื่องของการศึกษาปฏิกิริยาเคมีหลายๆแบบ อย่างเช่นโปรตีน หรืออื่นๆ”

 

แปลจาก : http://www.sciencedaily.com/releases/2009/06/090630075614.htm