37 Bio & Nano

February-March 2013, Vol.39 No.227

ดร. ณฐพนธ ศภกาศนยนาโนเทคโนโลยแหงชาต

MEMS & NEMSในปจจบนน มเทคโนโลยหนงทมความส�าคญเปนอยางยงตอพฒนาการของสาขาวชาวทยาการหนยนตและระบบอตโนมต

นนกคอ เทคโนโลยระบบไฟฟาเครองกลจลภาค หรอ “เมมส” (Micro-Electro-Mechanical Systems: MEMS) นนเอง

อยางไรกตาม เทคโนโลย “เมมส” ทก�าลงมการใชกนอยในปจจบนน ก�าลงถกยอขนาดใหเลกลงไปเรอย ๆ จนถงระดบของนาโนเมตร

นนหมายความวา พฒนาการของเทคโนโลยระบบไฟฟาเครองกลขนาดนาโน หรอ “เนมส” (Nano-Electromechanical Systems:

NEMS) ทมขนาดเลกกวา มความไวสงกวา ท�างานไดหลากหลายกวา และใชพลงงานนอยกวาเทคโนโลยเมมสก�าลงจะเรมตนขนใน

อกไมนานน โดยประโยชนของเมมสและเนมสนน สามารถน�ามาประยกตใชงานในดานตาง ๆ ไดอยางมากมาย ดงนนบทความในนตยสาร

ฉบบนจงไดรวบรวมขอมลเกยวกบความหมายและประโยชนใชสอยของเทคโนโลยเมมสและเนมสในดานตาง ๆ ดงมรายละเอยด

ตอไปน

Bio & Nano

38

▲ ภาพถายของไมโครมอเตอรขนาด 3.81 มลลเมตร ของ แมกเลแลน เปรยบเทยบกบขนาดของ

หวเขมหมดทอยดานบน (Caltech Archives)

ระบบไฟฟาเครองกลจลภาค หรอ เมมส (MEMS)

ระบบไฟฟาเครองกลจลภาค หรอ เมมส เปนอปกรณหรอระบบทมขนาดเลกในระดบไมโครเมตร (10-6 เมตร) ประกอบดวยระบบไฟฟาและระบบกลไกเชงกลซงถกสรางขนดวยเทคโนโลยทางดานสารกงตวน�า (semiconductor) แบบเดยวกบทใชในการผลตวงจรรวม หรอ ไอซ (integrated circuit: IC) แตอปกรณเมมสจะ แตกตางไปจากอปกรณไมโครอเลกทรอนกสชนดอน ตรงทเมมสสามารถท�าหนาทเชงกลได เชน เซนเซอร (sensor) และแอกชเอเตอร (actuators) ทมความจ�าเปนตอการพฒนาอตสาหกรรมหลากหลายประเภท เชน เทคโนโลยสารสนเทศ เทคโนโลยหนยนต เทคโนโลยยาน-ยนต เทคโนโลยชวภาพและการแพทย เครองมอวดทางอตสาหกรรม และอปกรณชนดอน ๆ ทจ�าเปนตออตสาหกรรมในอนาคต

พฒนาการของอปกรณเมมสไดเรมตนขนอยางเปนรปธรรมเมอประมาณ 20 ปทแลว และไดเจรญรดหนาไปอยางรวดเรว ในปจจบนนอปกรณเมมสมขนาดเลกมากในขณะทมศกยภาพสงจน นาทง ไมวาจะเปนกระจกขนาดจว (micromirrors) หลายลานตวทถกบรรจอย ในโปรเจกเตอรแบบดจทล ไมโครเซนเซอรตรวจจบการเคลอนไหว (microscale motion sensors) ทท�าหนาทปลอยถงลมนรภยในรถยนต อปกรณไมโครฟลอดก (microfluidics) ทท�าหนาทเปนหองปฏบตการบนแผนชป (lab-on-a-chip) ทสามารถใชวเคราะหสารเคมและชวเคมปรมาณนอยมาก ๆ ได หรอแมกระทงรโมทเซนเซอรทสามารถวเคราะหคณสมบตของสงตาง ๆ ทอยบรเวณใตทองทะเลลก บรเวณรอยแตกของเปลอกโลก จากหวงอวกาศ หรอจากภายในรางกายสงมชวตแลวสงสญญาณกลบมาใหมนษยรบรไดอยางรวดเรว เปนตน

อยางไรกตาม เทคโนโลยทใชในการผลตอปกรณเมมสในขณะนเกอบทงหมดจะยงอยในระดบของไมโครเมตร และมอปกรณเมมสจ�านวนนอยมากทมขนาดเลกกวา 1 ไมโครเมตรลงไป โดยแนวโนม

▲ ศาสตราจารย รชารด ฟายนแมน (Richard Feynman) นกฟสกสรางวลโนเบลผทไดรบการ

ยกยองใหเปนบดาของนาโนเทคโนโลยก�าลงใชกลองจลทรรศนสองดไมโครมอเตอร (micro-

motor) ทถกสรางขนโดย วลเลยม แมกเลแลน (William McLellan) ผซงชนะค�าทาทายของฟายน

แมนในการสรางมอเตอรไฟฟาทมขนาดเลกกวา 1/64 นวไดส�าเรจเปนคนแรกเมอป พ.ศ.2503

(Caltech Archives)

ดงกลาวนแตกตางไปจากพฒนาการของเทคโนโลยวงจรรวมอยาง สนเชง เพราะวาในปจจบนนเทคโนโลยการผลตชพมขนาดเลกลงจนเกอบจะเขาสระดบนาโนแลว เชน ชปไมโครโปรเซสเซอรของเพนเทยม 4 ของอนเทลไดใชเทคโนโลยการผลตทระดบ 130 นาโนเมตร และในป พ.ศ.2553 เทคโนโลยการผลตชปจะถกยอขนาดลงไปจนเหลอเพยงแค 70 นาโนเมตรเทานน

จากมลเหตดงกลาวนเองทท�าใหนกวทยาศาสตรทมวสยทศนกวางไกลจ�านวนมากตางพากนหาวธการยอขนาดอปกรณเมมสใหมขนาดเลกลงจนถงระดบนาโน (ต�ากวา 100 นาโนเมตรลงไป) ใหได ซงนนกคอการเรมตนของเทคโนโลย “ระบบไฟฟาเครองกลขนาดนาโน หรอ เนมส (Nano-Electromechanical Systems: NEMS)” นนเอง

สวนประกอบของเมมสและเนมส

อปกรณระบบไฟฟาเชงกล ไมวาจะเปน เมมส หรอ เนมส กตามจะมสวนประกอบหลกอย 2 สวนดวยกน ไดแก 1. หนวยทท�าหนาทเชงกล (mechanical element) ท�า หนาทในการตอบสนองตอแรงกระท�าภายนอกโดยอาศยการหกเห (de-flects) หรอสนสะเทอน (vibrates) เปนหลก โดยหนวยทท�าหนาทเชงกลนจะแบงออกไดหลายประเภท เชน 1. ทอรชน บาลานซ (torsion balance) ซงตอบสนองโดยการหกเหเปนหลก 2. แคนตลเลฟเวอร (cantilever) ซงมลกษณะเปนคานขนาดเลกและถกใชเปนหวเขมอานของกลองจลทรรศนแบบโพรบสองกราด (scanning probe micros-copy) และ 3. ดบล แคลมเปด บม (doubly clamped beam) ทมลกษณะเปนคานขนาดเลกทสวนหวและทายถกยดตดอยกบท โดย หนวยเชงกลสองประเภทหลงจะตอบสนองโดยอาศยการสนสะเทอนเปนหลก ซงตรวจวดไดจากการเปลยนแปลงความกวางของคาบการแกวง (amplitude) ของออสซลเลเตอร (oscillators) 2. ตวแปรสญญาณ หรอ ทรานสดวเซอร (transducers) ท�าหนาทเปนตวอานผล โดยการเปลยนแปลงพลงงานเชงกลใหกลายเปนสญญาณทางไฟฟาหรอสญญาณเชงแสง (optics) หรอในบางกรณใชวธการวดสญญาณรบกวนทเกดขน โดยการใชตวแปรสญญาณ ขาเขาท�าหนาทควบคมหนวยทท�าหนาทเชงกลใหเกดการสนสะเทอนในระดบคงทอยตลอดเวลา และเมอมสญญาณรบกวนเกดขน กจะท�าให

39 Bio & Nano

February-March 2013, Vol.39 No.227

▲ เรโซเนเตอรเชงกล (mechanical resonator) ทถกสงเคราะหขนจากเทคนคซลคอนบนชนฉนวน

ซงสามารถหนนไปมาได เมอมคลนความถวทยเคลอนทผานขวอเลกโทรดทองค�า (gold electrode)

ในขณะทมสนามแมเหลกรนแรงได โดยทการหมนของเรโซเนเตอรจะท�าใหเกดสนามไฟฟา

ทถกตรวจวดไดโดยอเลกโทรดตรวจจบ (detection electrode)

การสนสะเทอนเปลยนแปลงไปจากเดม โดยทผลตางของการสน-สะเทอนกคอสญญาณทตองการวดนนเอง สวนสาเหตทท�าใหเกดสญญาณรบกวนขนไดกคอ 1. การเปลยนแปลงความดนทท�าใหเกดการเปลยนแปลงเชงกล 2. การเปลยนแปลงมวลของเรโซเนเตอรขนาดนาโน (nanoscale resonators) หลงจากดดซบสารเคมเอาไว หรอ 3. การเปลยนแปลงอณหภมทท�าใหคณสมบตในการยดหยนและแรงเครยดภายในของหนวยทท�าหนาทเชงกลเปลยนแปลงไป โดยผลลพธสดทายทเกดขนในสองกรณหลงคอการเปลยนแปลงความถในการสนสะเทอนของหนวยเชงกลนนเอง อปกรณทท�าหนาทเปนตวแปรสญญาณของระบบเชงกลในปจจบนน จะอาศยกลไกทางฟสกสประเภทตาง ๆ ไดแก ไฟฟาสถตแสง เพยโซอเลกทรก (piezoelectrics) แรงขบทางแมเหลก (magnetomo-tive) แมเหลกนาโน (nanomagnets) และอเลกตรอนทลเนลลง (elec-tron tunnelling) เปนตน

สาเหตทท�าใหเนมสมความสามารถสงกวาเมมส

อปกรณเนมสสามารถพลกโฉมวธการทใชตรวจวดการเคลอนไหวในระดบทเลกมาก ๆ หรอการตรวจวดแรงกระท�าทนอยมาก ๆ ได โดยเฉพาะอยางยงแรงทเกดขนในระดบโมเลกล ทเปนเชนนกเพราะวา อปกรณเนมสมขนาดทเลกมากและมน�าหนกนอยมาก ดวยเทคโนโลยทมอยในขณะนสามารถทจะสรางอปกรณเนมสทมน�าหนกเบาเพยงไมก ออตโตกรม (10-18 กรม) และมขนาดเลกเพยงแค 10 นาโนเมตรได การทอปกรณเนมสทงเลกทงเบามากนเอง ทเปนเหตใหอปกรณเนมสมคณลกษณะเฉพาะตวทแปลกใหม และสามารถน�ามาประยกตใชประโยชนไดอยางมากมาย โดยทคณสมบตเฉพาะตวของเนมสมดง ตอไปน 1. เปนอปกรณเชงกลทตรวจจบสญญาณในระดบยานความถสงมากได (high-frequency mechanical devices) เชน ความถในชวงไมโครเวฟได ปจจบนนนกวทยาศาสตรสามารถใชกระบวนการ นาโนลโทกราฟททนสมยทสดในการสรางเรโซเนเตอรขนาดนาโน (nanoscale resonators) ทมความถสงกวา 10 กกะเฮรตซ (1010 เฮรตซ)

▲ อเลกโตรมเตอรเชงกลรนแรกและรนทสองทมศนยกลางเปนเรโซเนเตอรเชงกล ถกสรางขนโดย

นกวจยของ Caltech (เครดตภาพ A N Cleland/Caltech)

ได ซงคณสมบตของเนมสในขอนสามารถน�ามาใชในการสรางอปกรณเชงกลทไมเคยมมากอนได เชน การประดษฐกลองจลทรรศนแบบ เอสพเอม (Scanning Probe Microscopes, SPM) ชนดใหมทมความเรวสงขน หรอแมกระทงการประดษฐคอมพวเตอรเชงกล (mechanical computers) รปแบบใหม 2. สามารถกระจายพลงงานทมระดบพลงงานต�ามาก ๆ ได ซงถอว าเป นคณลกษณะท ดทางเรโซแนนซ เป นการสงผลให อปกรณเนมสมความไวตอการเปลยนแปลงแรงกระท�าเชงกลจากภายนอกไดดมาก เหมาะในการน�ามาใชเปนเซนเซอรไดหลายชนด 3. หนวยเชงกลของเนมสสามารถสนสะเทอนไดเมอมการเปลยนแปลงมวลสารในระดบทนอยมาก ซงจะท�าใหเนมสมความไวตอมวลทเพมขนเพยงเลกนอย ซงถอวาเปนคณสมบตของเนมสทสามารถ น�าไปใชเปนเซนเซอรตรวจจบสารเคมตาง ๆ ไดอยางมประสทธภาพ โดยมรายงานวาเนมสมความไวมากในขนาดทสามารถตรวจวดมวลของอะตอมจ�านวนเลกนอยทถกดดซบไวบรเวณผวหนาของอปกรณเชงกลได 4. สามารถออกแบบใหเนมสใหมรปรางตาง ๆ กนไดตามความตองการ เชน ท�าใหหนวยเชงกลของเนมสเกดการตอบสนองตอแรงกระท�าภายนอกในทศทางทก�าหนดไวเทานน ซงสามารถน�าไปใชเปนชนสวนของกลองจลทรรศนเอสพเอมได 5. อปกรณเนมสใชพลงงานต�ามาก โดยมการประมาณกนวาอปกรณเนมสจ�านวนนบลานตวทท�างานรวมกนในโปรเซสเซอรของระบบเชงกลจะใชไฟฟารวมกนในระดบของไมโครวตตเทานนเอง ซงใชไฟต�ากวาโปรเซสเซอรอเลกทรอนกสโดยทวไปเกอบหมนเทาตว 6. ทงเมมสและเนมสตางกถกสงเคราะหขนจากเทคโนโลยแบบเดยวกบทใชในการผลตวงจรอเลกทรอนกส และวตถดบทใชก

Bio & Nano

40

เปนวตถดบชนดเดยวกน เชน ซลคอน แกลเลยมอารเซไนซ (GaAs) หรออนเดยมอารเซไนซ (InAs) จงท�าใหสามารถตดตงอปกรณเสรมสมรรถนะชนดตาง ๆ เชน ตวแปรสญญาณ หรอ ทรานซสเตอร เพมเตมใหกบอปกรณเมมสหรอเนมสไดอยางงายดาย ท�าใหเมมสและเนมสสามารถท�างานทมความซบซอนมากขนไดดขน

วธการสรางอปกรณเนมส

การสงเคราะหอปกรณเนมสจ�าเปนตองใชเทคนคใหม ๆ ทสามารถใชออกแบบและท�าสถาปตยกรรมโครงสรางสามมตของ อปกรณเนมสได ยกตวอยางเชน เทคนคตาง ๆ ทพฒนาขนมาเพอใชอปกรณทมสวนประกอบเปนสารกงตวน�าโดยเฉพาะ เชน ซลคอนแบบหยาบ (bulk silicon) ซลคอนบนชนอพ (epitaxial silicon) และโครงสรางเนอผสมของซลคอนบนฉนวน (silicon-on-insulator heterostructures) รวมไปถงระบบทใชสารกงตวน�ากลม III-V เชน แกลเลยมอารเซไนด และอนเดยมอารเซไนด เปนตน โดยทวไปแลวการสรางอปกรณเนมสสามารถใชวธการเดยวกบทใชในการสรางอปกรณนาโนอเลกทรอนกส เชน กระบวนการนาโนลโทกราฟทมประสทธภาพสง และสามารถเพมความซบซอนของโครงสรางระบบเนมสใหมากขน โดยการใชกระบวนการ

นาโนลโทกราฟซ�าไปซ�ามาหลาย ๆ รอบ หรอการผสมผสานเขากบวธการตกตะกอนสะสมของไอสารเคมประเภทตาง ๆ หรอการใชเทคนคการปลกผลกแบบชนเดยวทสามารถควบคมความหนาของชนบางในระดบของอะตอมไดอยางแมนย�า ซงเทคนคเหลานสามารถท�าใหอปกรณเนมสมความหนาเพยงไมกชนของอะตอมได นอกจากนยงตองหาวธการเชอมตอหนวยเชงกลเขากบตวแปรสญญาณทมความซบซอนมากได เพอใชเปนตวควบคมการท�างานและตรวจจบสญญาณเชงกลทเกดขนได

ความทาทายในการสรางเนมส

ศกยภาพของกระบวนการลโทกราฟดวยล�าอเลกตรอน (elec-tron beam lithography) และนาโนแมชชนนง (nanomachining) ทใชอยในปจจบน สามารถสงเคราะหโครงสรางขนาดนาโนทเปนสารกงตวน�าใหมขนาดเลกกวา 10 นาโนเมตรได ซงเปนการแสดงใชเหนวาเทคโนโลยในการผลตอปกรณอเลกทรอนกสในปจจบนน สามารถน�ามาใชสรางระบบเนมสไดแลว อยางไรกตาม การทจะสามารถผลตและการใช ประโยชนจากเนมสไดอยางเตมความสามารถนน จ�าเปนอยางยงทตองเอาชนะความทาทาย 3 ประการนใหไดเสยกอน นนคอ 1. ตองหาวธการทสามารถน�าสงสญญาณทเกดขนในระดบนาโนออกมายงโลกภายนอกทเปนระดบแมคโครได

เนองจากเนมสเปนอปกรณทมขนาดเลกมากจนสามารถตรวจจบแรงสนสะเทอนและการหกเหแสงไดในระดบทต�ามาก ๆ ได ดงนนการสรางตวแปรสญญาณทมความไวเพยงพอทขยายสญญาณตาง ๆ ทเกดขน และอานผลไดอยางถกตองนนเปนสงทยากมาก

▲ การพฒนากระบวนการประดษฐขนาดนาโน (nanofabrication) อยางตอเนอง จะน�าไปสความกาวหนาในการสรางโครงสรางนาโน

ในอดมคตหลายชนด ตวอยางเชน

a.) ดบล เคลมเปด บม (doubly clamped beam) ทถกสรางขนโดยการแกะสลกแผนซลคอนเวเฟอร

b.) รายละเอยดของเรโซเนเตอร (nanoscale resonator) ขนาดนาโนทสรางจากซลคอนบนชนฉนวน

c.) รปรางของอปกรณเนมสทสรางจากแกลเลยมอารเซไนดทใชวดแรงกระท�าขนาดต�ามากๆ ทระดบความถสง

(เครดตภาพ A N Cleland/Caltech)

▲ ภาพกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) แสดงรายละเอยดของนาโนเซนเซอรวดการ

เคลอนไหวทมสวนประกอบหลกเปนหนวยเชงกลทท�าจากแกลเลยมอารเซไนดขนาดกวาง 250

นาโนเมตร หนา 250 นาโนเมตร ยาว 3 ไมโครเมตร ซงถกวางไวระหวางทรานซสเตอรแบบ

อเลกตรอนเดยว (single electron transistors) 2 ตว ทท�าหนาทเปนตวตรวจจบสญญาณการ

เคลอนไหวในระดบ 10-12 เมตรได

41 Bio & Nano

February-March 2013, Vol.39 No.227

▲

นอกจากนยงมอปสรรคทส�าคญอกประการหนงคอ ความถธรรมชาตทเกดขนจากการเคลอนไหวจะมคาเพมขนเมอวสดมขนาดเลกลง ดงนนตวขยายสญญาณของระบบเนมสในอดมคตนน จะตองสามารถแยกแยะการเคลอนทในชวง 10-15 - 10-12 เมตร ไดอยางชดเจนและตองสามารถขยายระดบความถของสญญาณใหมากขนจนถงระดบกกะเฮรตซหรอพนลานเฮรตซได ซงความสามารถท กลาวมา ทงสองประการนยงไมสามารถท�าใหเกดขนจรงไดโดยใชเทคโนโลยทมอยในปจจบน ตวแปรสญญาณแบบไฟฟาสถตทใชในระบบเมมสโดยทวไปนน ไมสามารถน�ามาใชกบเนมสได เพราะขวอเลกโทรดขนาดนาโน (nanoscale electrodes) มความสามารถในการเกบประจต�าประมาณ 10-18 ฟารด หรอนอยกวานนมาก จงเปนผลใหเกดการรบกวนจากการตานทานไฟฟา สวนการแปรสญญาณเชงออปตกทใชกบเมมสกไมสามารถน�ามาใชเปนตวแปรสญญาณของอปกรณเนมสไดเชนเดยวกน ทงนเนองจากการเลยวเบนของคลนแสงมขดจ�ากด (diffraction limit) ท�าใหตวแปรสญญาณเชงแสงประเภทตาง ๆ ไมสามารถใชกบวตถทมขนาดเสนตดขวางเลกกวาชวงความยาวคลนแสงไดอยางมประสทธภาพ จากทกลาวมาทงหมดจะเหนไดวาตวแปรสญญาณชนดตาง ๆ ทใชอย ในขณะน ไมสามารถน�ามาใชกบอปกรณเนมสทมขนาดเลก มาก ๆ ได ดงนนจงจ�าเปนตองคนหาวธการแปรสญญาณแบบใหมเพอน�ามากบอปกรณเนมสโดยเฉพาะ เชน อปกรณแมเหลกขนาดนาโน (na-noscale magnets) อปกรณตวน�ายงยวดเชงควอนตม (superconducting quantum interference devices) ทรานซสเตอรแบบอเลกตรอนเดยว (single electron transistors) หรออปกรณออปตกแบบ Near-field (near-field optics: NFO) เปนตน 2. ตองเขาใจและสามารถควบคมระบบเชงกลในระบบเนมสไดเปนอยางด ขอจ�ากดในการท�างานของอปกรณเนมสทส�าคญทสด คอ ขอจ�ากดทางควอนตม (quantum limit) เพราะวาเมอ อปกรณเนมสมขนาดเลกลงไปเรอย ๆ กตองเขาใกลขดจ�ากดนมากขน

ทกทเชนเดยวกน เชน เมออปกรณเนมสมขนาดเลกลงจะสงผลใหพฤตกรรมเชงกลของวสดขนาดใหญลดความส�าคญลงเรอย ๆ ในขณะทพฤตกรรมระดบอะตอมจะมอทธพลเพมมากขน สาเหตทเปนเชนนกเพราะวา เมออปกรณมขนาดเลกลงจะท�าใหสดสวนของอะตอมทอยบรเวณผวหนาของอปกรณมปรมาณสงขนซงจะสงผลใหคณสมบตทางฟสกสของอปกรณเนมสเกอบทงหมดขนอยกบพฤตกรรมของอะตอมทอย บรเวณพนผว ดงนนจงจ�าเปนตองพฒนาเทคนคซมมเลชน (simulations) ทสามารถใชวเคราะหพฤตกรรมของโครงสรางทประกอบจากอะตอมเพยงไมกอะตอมไดอยางถกตอง และตองหาวธทสามารถวเคราะหพฤตกรรมของอะตอมระดบพนผวไดอยางถกตองเสยกอน จงจะสามารถสรางอปกรณเนมสทมประสทธภาพสงตรงตามความตองการได

3. ตองพฒนากรรมวธในการผลตระบบเนมสทสามารถท�าซ�าได และมคณสมบตคงเดมทกครง การผสมผสานกระบวนการนาโนลโธกราฟกบกระบวนการผลตเมมสทกาวหนาทสดในปจจบนน สามารถน�ามาใชสรางอปกรณเนมสไดในระดบหนง อยางไรกตาม ถาตองการใหอปกรณเนมสมความสามารถสงขนไปเรอย ๆ กจ�าเปนตองพฒนาวธการผลตใหม ๆ มารองรบอยตลอดเวลา แนวทางการสงเคราะหเนมสทมความเปนไปไดสงอกวธหนง คอ การจดการระดบนาโนโดยใชกลองเอสพเอม (SPM nanomanipulation) โดยทแนวคดนไดถกพฒนาขนโดยบรษทไอบเอม (IBM) ซงประสบความส�าเรจในการสรางหนวยเกบความจ�าทเรยกวามลลพด (millipede) ทสามารถเกบขอมลไดหนาแนนถง 1014 บตตอหนงตารางนว (Terabyte/in2) โดยใชกลองเอสพเอม (SPM) แบบพเศษทถกออกแบบใหมหวอานเปนอารเรยทมหวอานหลายหว (multitip array) ซงถกสรางขนโดยเทคโนโลยทใชในการสงเคราะหเมมส อยางไรกตาม การทจะผลตอปกรณเนมสในระดบอตสาหกรรม และมการใชงานอยางแพรหลายไดนน จ�าเปนตองค�านงถงประสทธภาพของโรงงานทจะท�าการผลตดวย เนองจากเนมสมความไวตอแรงกระท�าภายนอกสงมาก ท�าใหการปนเปอนของอะตอมแปลกปลอมเพยงไมก

ระบบไฟฟาเครองกลขนาดนาโนชวภาพ (Bio-NEMS) ชนดตาง ๆ ทถกพฒนาขนเพอน�าไปใช

ประโยชนในเชงการแพทย เชน อปกรณส�าหรบตรวจวนจฉยโรค และอปกรณตรวจวดปรมาณ

สารเคม เปนตน (ภาพจาก: http://www.esm.psu.edu/wiki/research:juh17:start)

Bio & Nano

42

อะตอมกสามารถท�าใหระบบการผลตอปกรณเนมสมปญหาได ดงนนระบบการผลตเนมสตองควบคมความสะอาดในระดบทสงสดเทาทจะท�าได และตองใชกระบวนการสงเคราะหทถกตองแมนย�าทสดดวย เชนเดยวกน

บทสรปแหงอนาคต

จากทไดกลาวมาทงหมด จะเหนไดวาอปกรณเนมสสามารถน�ามาใชท�างานทไมเคยมอปกรณชนดใดท�าไดมากอน ยกตวอยาง เชน การวดการสนสะเทอนทเกดขนในระดบอะตอมหรอโมเลกล การสรางกลองจลทรรศนพลงแมกเนตกเรโซแนนซ (magnetic resonance force microscopy: MRFM) การประดษฐกลองเอสพเอมชนดใหมทสามารถท�างานไดเรวกวากลองเอสพเอมในปจจบน หรอ การประดษฐคอมพวเตอรเชงกลรปแบบใหม นอกจากน อปกรณเนมสยงไดสรางโอกาสในการคนพบเทคโนโลยใหม ๆ ทจ�าเปนตอการพฒนานาโนเซนเซอรทไวตอสงกระตนมากขน รวมทงวธการตรวจวดแบบใหมทมประสทธภาพสงขน เชน แมกเนตกเรโซแนนซแบบสปนเดยว (single-spin magnetic resonance) อปกรณเชงกลทสามารถนบจ�านวนโฟนอน (phonon count-ing) หรออปกรณนาโนฟลอดก (nanofluidics) ทสามารถคดแยกและวเคราะหสารชวเคมทมความเขมขนต�ามาก ๆ ไดอยางมประสทธภาพ เปนตน หรอวทยาการเนมสอาจกาวหนาไปจนกระทงถงขนทสามารถสรางจกรกลนาโน (nanorobot) ทมขนาดเลกจนสามารถเขาไปอยในเสนเลอดและเดนทางไปยงอวยวะสวนตาง ๆ ของรางกายเพอท�าหนาทก�าจด เชอโรค เพมขดความสามารถของภมคมกน ท�าลายไขมนอดตน และซอมแซมอวยวะทเสยหายไดอยางมประสทธภาพ อยางไรกตาม การทจะสรางระบบใหม ๆ ตามทไดกลาวมาแลวนน จ�าเปนอยางยงทจะตองท�าความเขาใจสงทเกดขนจากการผสมผสานวทยาศาสตรและเทคโนโลยในระดบไมโครและระดบนาโนทใชอยในปจจบนใหไดอยางถองแทเสยกอน

▲ ภาพวาดจ�าลองของมอเตอรชวภาพชนดไมโอซน (Myosin V) (สฟา) ในขณะทก�าลงเคลอนทอย

บนสายโปรตนแอกตน (Actin) (สแดง) เพอท�าหนาทเปนตวขนสงสารภายในเซลลสงมชวต

อยางไรกด ในขณะนยงมชองวางทเกดจากความแตกตางระหวางวธการสงเคราะหอปกรณเนมสในปจจบนทสวนใหญเนนการสงเคราะหจากวสดหยาบ (bulk materials) กบวธการสงเคราะห อปกรณเนมสในอนาคตทอาจใชการจดเรยงอะตอมทละอะตอมเขาดวยกน โดยอาศยหลกการประกอบตวเอง (self-assembly) ของอะตอมจ�านวนมหาศาลอยางถกตองแมนย�า ซงถอวาเปนกรรมวธการสงเคราะหวสดและอปกรณโดยใชนาโนเทคโนโลยทแทจรง โดยทกระบวนการสรางอปกรณเชงกลดวยวธการประกอบตวเองของอะตอมกมตวอยางใหเหนอยแลวในธรรมชาต เชน มอเตอรโมเลกล (molecular motors) ทเปนโปรตนและเอนไซมชนดตาง ๆ เชน เอนไซม ATPase หรอเฟลกเจลลารมอเตอรของแบคทเรย (bacterial flagella motor) หรอโปรตนไมโอซน-ว (myosin-v) ซงทงหมดเปนจกรกลชวภาพทเกดจากการประกอบตวเองของอะตอมชนดตาง ๆ และท�าหนาทเปนตวขนสงสารชวโมเลกลภายในเซลลสงมชวต เปนแหลงก�าเนดพลงงานใหกบเซลลสงมชวต และเปน ตวขบเคลอนใหเซลลสงมชวตเคลอนทไปมาได จกรกลทมอยในธรรมชาตเหลานไดกลายเปนแรงบนดาลใจทท�าใหนกวทยาศาสตรพยายามหาวธการลอกเลยนแบบ เพอสรางอปกรณขนาดนาโนชนดตาง ๆ เชน การสรางชนสวนตาง ๆ ของอปกรณเนมส ดวยวธแบบเลกไปใหญ (bottom-up) เชน การใหสารเคมชนดตาง ๆ ท�าปฏกรยาและเชอมตอกนกลายเปนโครงสรางเคมขนาดใหญทซบซอน มากขน เปนตน ดงนนอาจจะกลาวไดวา “ยงเทคโนโลยเนมสกาวหนามากขนเทาไร กยงท�าใหวธการทมนษยใชในการสรางเนมสเขาใกลวธทธรรมชาตใชในการสรางสรรคสงตางๆ ขนมามากขนเทานน”

แหลงขอมลอางองและรปภาพประกอบ

1. http://physicsweb.org/articles/world/17/4/3/1

2. http://physicsweb.org/articles/news/8/5/12/1

3. http://www.ibi.cc/nems_resonators.htm