ผ้าพลาสมานาโนกับเทคนิควิเคราะห์เชิงนิวเคลียร์ (PIGE/PIXE)

ธีรวรรณ บุญญวรรณ *

รูปที่ 1 ผ้า hemp ซึมน้ำทันทีที่หยด (ซ้ายมือ) ขณะที่เมื่อประยุกต์พลาสมาฟลูออรีนแล้วหยดน้ำไม่ซึมและกลิ้งไปมา (ขวามือหรือภาพสีที่ปกหน้า) 

นาโน นาโน หันซ้ายหันขวาอะไรๆก็เป็นนาโนไปเสียหมด ...ก็มันเป็นเรื่องของขนาดนาโนเสียจริงๆ เถียงไม่ออก ก็รู้กันดีว่าหาก ไปยุ่งๆ กับระดับอะตอมจะเป็นขนาดอังสตรอม แต่ถ้าเป็นระดับโมเลกุลละก็เรื่องของนาโนเมตรแน่นอน (10 อังสตรอม= 1 นาโนเมตร) ทีนี้แหละการที่(ฟิสิกส์)เอาไอออนในพลาสมาไปแทรกหรือแทนที่โมเลกุลของเส้นใยผ้า(เคมี)เลยเป็น เรื่องของนาโนอย่างเลี่ยงไม่ได้ในบัดดล

คณะวิจัยฟิสิกส์พลาสมา ของมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ทดลองประยุกต์พลาสมาของฟลูออรีนลงบนตัวอย่างหลากหลายชนิด ทั้งไหม ไนลอน โพลีเอสเตอร์ ฝ้าย กระดาษ ฯลฯ เพื่อสร้างคุณสมบัติ ไม่ชอบน้ำ ( hydrophobic )ให้แก่ตัวอย่างเหล่านั้นเป็นที่ อัศจรรย์ ยิ่งนักที่พบว่า หยดน้ำยังสามารถกลิ้งไปมาแม้บนผ้าตาห่างๆได้ (ศรชี้ใน รูปที่ 1 หรือที่ปกหน้า ) อะไรคือคำตอบสำหรับ เรื่องนี้ บ้างบอกว่าเป็นกลไกของหยดน้ำบนใบบัว (ดูที่หน้า 10)แต่เมื่อวิเคราะห์ดูจะพบว่าเวลาในการประยุกต์พลาสมา ช่วงสั้นๆเพียง 5 นาที ไม่เพียงพอให้เกิดการเปลี่ยนโครงสร้างเส้นใยเชิงกายภาพ เช่น สร้างเป็นขนนาโนเหมือนผิวใบบัว ทว่ายังมีคำอธิบายอีกอย่าง ที่น่าสนใจ นั่นคือไอออนฟลูออรีนในพลาสมาไปสร้างพันธะใหม่แทนที่ กลายเป็นโครงสร้างใหม่ ที่ไม่ชอบน้ำ และเกิดขึ้นเฉพาะ บริเวณผิวเส้น ใยเท่านั้นเนื่องจากอิเล็กตรอนและไอออนในพลาสมามีพลังงาน จำกัดในการทะลวงผ่าน(ผิดกับกระบวนการเคมี ที่ใช้พลังงานภายนอกเช่น ความร้อน เข้าช่วยเพิ่มอัตราเกิดปฏิกิริยา) ดังนั้นโครงสร้างใหม่จะหนาไม่เกินกว่า 2-3 ชั้นความหนา อะตอมหรือราวๆ 0.5 – 0.8 นาโนเมตร [1]

เรากำลังมองหาพันธะ C-F ซึ่งจะแสดงคุณสมบัติไม่ชอบน้ำ ทั้งนี้มีการประมาณว่าหากจะเปลี่ยนคุณสมบัติทางเคมีใดๆ ของผ้า จะต้องมีปริมาณสาร ( functional element ) นั้นๆ มากกว่า 3,000 ส่วนในล้าน ( 3,000 ppm ) [2] โดยทั่วไปการวิเคราะห์ ผิววัสดุเพื่อหาโครงสร้างหรือพันธะทางเคมี นิยมใช้เทคนิค X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) หรือ Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) ตรวจวัดกันโดยตรง อย่างไรก็ดีจากการที่ผู้เขียนมีโอกาสไปศึกษาเทคนิควิเคราะห์ เชิงนิวเคลียร์ด้วยลำไอออน ณ ศูนย์วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนิวเคลียร์ออสเตรเลีย ( ANSTO ) เป็นเวลา 2 เดือน จึงถือโอกาสนำตัวอย่างผ้าไปทำการวิเคราะห์หาปริมาณฟลูออรีนเสียด้วยเลย

 

รูปที่ 2 สถานีวิเคราะห์ด้วยเทคนิค Particle Induced Gamma-ray /X- ray Emission (PIGE/PIXE) [3]

รูปที่ 2 เป็นภาพถ่ายสถานีวิเคราะห์ โดยการยิงลำโปรตอนพลังงาน 2.5 MeV กระแส 15 nA ลงบนผ้าตัวอย่างที่ผ่านการประยุกต์ ด้วยพลาสมาฟลูออรีน ทำการวัดสเปคตรัมของรังสีแกมมาจากปฏิกิริยา F( p, )F * และวัดรังสีเอ็กซ์ ดังแสดงใน รูปที่ 3 ก) และ ข) ตามลำดับ หลังจากสอบเทียบพื้นที่ใต้พีคกับสเปคตรัมของสารมาตรฐาน ( CaF 2 ) จากนั้นทำการคำนวณปริมาณแคลเซียมและ ฟลูออรีนได้ผลดัง ตารางที่ 1

ในสเปคตรัม รูปที่ 3 ก) จะเห็นพีคของฟลูออรีน( F ) จากผ้าตัวอย่างที่ผ่านการประยุกต์พลาสมาอย่างชัดเจน โดยมีพีคของ โซเดียม( Na) ปะปนเนื่องจากผ้าตัวอย่างสัมผัสเหงื่อขณะเตรียม ส่วนใน รูปที่ 3 ข) จะเห็นได้ว่ามีพีคแคลเซียม (Ca) ปรากฏ เฉพาะผ้าไหมทั้ง สอง นอกจากนี้อาจสังเกตุได้ว่าผ้า Montague Nylon และ U-10 มีการปนเปื้อนของไทเทเนียม (Ti) ด้วยปริมาณสูง ทั้งนี้คาดว่ามาจากสารเคมีตกค้างในกระบวนการฟอกย้อม

(ก)

(ข)

รูปที่ 3 ตัวอย่างสเปคตรัมของผ้าที่ผ่านการประยุกต์พลาสมาฟลูออรีนวัดด้วยเทคนิค ก) PIGE ข) PIXE โดยที่
M=Montague, N=Nylon, U=U-10 S=Silk โดย S21 เป็นคอนโทรล (โปรดดูภาพสีที่หน้า 28)

เมื่อพิจารณาผลใน ตารางที่ 1 สามารถวิเคราะห์เพื่อสรุปผลได้ดังนี้

•  ปริมาณฟลูออรีนกับเวลา เมื่อเพิ่มเวลาในการประยุกต์พลาสมา ปริมาณของฟลูออรีนเพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนตรงในผ้าทุกชนิด เป็นเพราะไอออนฟลูออรีนในพลาสมาจะเข้าแทนที่อะตอมออกซิเจนในกลุ่ม C=O ที่เป็นโครงสร้างเคมีหลักของเส้นใยผ้าทุกชนิดเสมอ [5,6] (เรียกกระบวนการนี้ว่า plasma polymerization ) โดยพบว่าผ้า Nylon** มีปริมาณฟลูออรีนน้อยที่สุด อันเนื่องมาจากมีกลุ่ม C=O น้อยกว่าเส้นใยชนิดอื่นๆนั่นเอง [7]

•  ปริมาณฟลูออรีนกับความแน่นของผ้า ผ้า Montague และ U-10 มีโครงสร้างเคมีเหมือนกันคือ เป็นโพลีเอสเตอร์ แต่ผ้า U-10 ทอโปร่งกว่าผ้า Montague ผลที่ได้จะเห็นว่า ปริมาณฟลูออรีนแปรตามความแน่นของผ้าเนื่องจากการทอด้วย

•  ปริมาณฟลูออรีนกับกำลัง rf จาก ตารางที่ 1 จะเห็นว่าปริมาณฟลูออรีนของผ้าทุกชนิดแปรผันตามกำลัง rf ที่ใช้ผลิตพลาสมาโดยสัดส่วนบนไหม Zofia มีค่าสูงสุด หรืออีกนัยหนึ่งฟลูออรีนจับเป็นพันธะ C-F กับไหม Zofia และ Grazia ได้ดีกว่าผ้า Montague และ U-10 ทั้งที่ผ้าทั้งสองชนิดหลังมีความหนาแน่นมากกว่า (น้ำหนักมากกว่าด้วยขนาดที่เท่ากัน) บ่งชี้ว่าโครงสร้างเคมีของเส้นใยไหมเอื้อต่อการเข้าแทนที่ของอะตอมฟลูออรีน

•  ปริมาณแคลเซียมในไหม ปริมาณแคลเซียมใน ตารางที่ 1 มีเพื่อเปรียบเทียบค่ากับวิธีวิเคราะห์ด้วยเทคนิค PIXE ของ Liu และคณะ [8] ที่เตรียมตัวอย่างโดยบดไหมจนละเอียดแล้วทำเป็นฟิล์มบางบนแผ่นรอง เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีวิเคราะห์ผ้าโดยตรงในครั้งนี้ พบว่าแคลเซียมในไหม Grazia มีปริมาณใกล้เคียงมากกว่า ทำให้ประเมินได้ว่าเทคนิค PIXE สามารถประยุกต์ใช้วิเคราะห์ปริมาณธาตุบนผ้าบางให้ผลได้ใกล้เคียง

•  ปริมาณฟลูออรีนที่ต้องการบนผิวผ้า จากการทดสอบหยดน้ำเพื่อดูการซึมผ่าน พบว่า หากปริมาณของฟลูออรีนต่ำกว่า    3,000 ppm ผ้าจะยังคงซึมน้ำได้ดี ขณะที่ผ้าทุกชนิดที่มีปริมาณฟลูออรีนสูงเกินกว่า 3,000 ppm จะไม่ซึมน้ำหรือใช้เวลาในการซึมน้ำนานกว่ามาก

ตารางที่ 1 ปริมาณแคลเซียมและฟลูออรีนของผ้าชนิดต่างๆ วัด ด้วยเทคนิค PIGE/PIXE

เวลาประยุกต์ (นาที)	กำลัง rf (วัตต์)	ชนิดผ้า	น้ำหนักผ้า ( g )	Ca (ppm)	F (ppm)
0	-	Slk-Grazia	0.0257	747?84	-
		Slk-Zofia	0.0383	2129?238
		Mntg	0.1128	30?4
		U-10	0.0776	74?9
		Nyln	0.0308	50?6
5	50	Slk-Grazia	*	760?85	956?111
		Slk-Zofia	*	2189?245	2824?319
		Mntg	*	35?4	317?41
		U-10	*	72?9	252?34
	75	Slk-Grazia	*	779?87	1556?177
		Slk-Zofia	*	2238?250	3285?370
		Mntg	*	72?9	2432?275
		U-10	*	45?5	1228?141
		Nyln	*	68?8	489?59
10	50	Slk-Grazia	*	751?84	1976?224
		Slk-Zofia	*	2161?242	4161?468
		U-10	*	79?9	1293?148
	75	Slk-Grazia	*	795?89	2121?240
		Slk-Zofia	*	2169?243	3513?396
		Mntg	*	158?17	3159?357
		U-10	*	52?6	1289?147

* น้ำหนักผ้า ลดลงระหว่าง 3-5 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากความชื้นหายไปจากสภาวะสุญญากาศ รวมทั้งผลจากการกัด ( etch ) เนื่องจากพลาสมา [4]

เห็นกันชัดๆแล้วว่าการวิเคราะห์ผ้าที่ผ่านการประยุกต์ด้วยพลาสมา โดยใช้เทคนิค PIGE/PIXE เป็นอีกวิธีที่แม้ว่าจะไม่สามารถ บ่งบอก โครงสร้างเคมีของธาตุเหล่านั้น หรือสัดส่วนพันธะของโครงสร้างใหม่กับโครงสร้างเดิมของเส้นใย แต่ก็เพียงพอที่จะใช้ยืนยันปริมาณของ functional element ที่จะเปลี่ยนคุณสมบัติเดิมของเส้นใยผ้า ไปสู่คุณสมบัติใหม่ที่ต้องการได้จริง ส่วนการประยุกต์ผ้าหรือวัสดุอื่นๆ ด้วยพลาสมา เป็นกระบวนการที่ประหยัด เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และรวดเร็วกว่าการใช้วิธีทางเคมีเดิมๆ

กิตติกรรมประกาศ

ผู้เขียนขอขอบคุณ คุณเยาวเรศ เขียวมุ่ย นักวิจัยประจำโครงการเพิ่มมูลค่าสิ่งทอทางการกีฬา สถาบันพัฒนาอุตสาหกรรมสิ่งทอ ในการเตรียมและประยุกต์พลาสมาแก่ผ้าตัวอย่าง ขอบคุณ Mr. Eduard Stelcer , Ms. Olga Hawas , Dr. Mihail Ionescu , Dr. Rainer Siegele แห่งศูนย์วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนิวเคลียร์ออสเตรเลีย ( ANSTO ) ที่ให้คำแนะนำที่เป็นประโยชน์ในการวิเคราะห์ ผ้าตัวอย่างด้วยเทคนิค PIGE/PIXE อย่างมาก และขอบคุณทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ ( IAEA ) ที่สนับสนุนค่า ใช้จ่ายการไปศึกษา/วิจัยครั้งนี้อย่างยิ่ง

เอกสารอ้างอิง

----------------------------------------------------

หมายเหตุ 1 โมเลกุล =CF 2 มีลักษณะโครงสร้างปิด เป็นสภาวะไร้ขั้ว (รูปข้างล่างนี้) ทำให้ไม่มีการสร้างพันธะกับน้ำที่เป็นโมเลกุลมีขั้ว อนึ่งโครงสร้างเคมี (CF 2 ) n รู้จักกันในชื่อ Teflon ? ของบริษัทดูปองท์ มีคุณสมบัติไม่ติดน้ำและน้ำมัน ( non-stick )

ลักษณะโมเลกุล CF 2 (บน) เทียบกับโมเลกุลน้ำ (ล่าง)

หมายเหตุ 2

PIGE เป็นเทคนิคหาปริมาณธาตุเจือที่มีมวลอะตอมน้อย เช่น Li, Be, F, Na, Al โดยการวัดรังสีแกมมาที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียส ของธาตุเจือที่ถูกกระตุ้น ส่วน PIXE เป็นเทคนิคหาปริมาณธาตุเจือที่มีมวลอะตอมมากกว่า Al ขึ้นไปจนถึง Pb แต่เป็นการวัดรังสีเอ็กซ์ ที่ปล่อยออกมาจากอะตอมของธาตุเจือที่ถูกกระตุ้น มีความไวระดับ 1-10 ppm และมีความแม่นยำระหว่าง 2-10 % เทียบกับสาร มาตรฐาน (ดูรูป)

 

* ผู้ช่วยศาสตราจารย์ (ดร.) ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

** อาจเรียก Nylon ว่า “ ไหมเทียม ” เพราะ Nylon ถูกผลิตให้มีคุณสมบัติที่เลียนแบบไหมแท้ ( Bombyx mori Silk ) นั่นเอง