เส้นใยนาโน

สันติ แม้นศิริ*

ตอนที่ 3 เส้นใยนาโนโดยอิเล็กโตรสปินนิ่งแบบใกล้สนาม และการวิจัยทางด้าน เส้นใยนาโนและอิเล็กโตรสปินนิง ในประเทศไทย

จาก ตอนที่ 1 (วารสารฟิสิกส์ไทยฉบับ มิ.ย. – ส.ค. 2549) และ 2 (วารสารฟิสิกส์ไทยฉบับ ธ.ค. 2549 – ก.พ. 2550) ที่ผ่านมาผู้เขียนได้อธิบายพื้นฐานอิเล็กโตรสปินนิงและการประยุกต์ใช้เส้นใยนาโนที่เตรียมด้วยเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิง และ ในตอนที่ 3 ซึ่งเป็นตอนสุดท้าย ของบทความชุดนี้ ผู้เขียนจะกล่าวถึงนวัตกรรมใหม่ ทางด้าน อิเล็กโตรสปินนิง คือ อิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนาม ( Near-filed electrospinning , NFES ) ซึ่ง ถือได้ว่าเป็น break through ของการวิจัยทางด้าน อิเล็กโตรสปินนิงและเส้นใยนาโน ในตอนท้ายของบทความนี้ จะกล่าวถึงความเคลื่อนไหว ความพร้อมและศักยภาพของประเทศไทย รวมถึงบทบาทของนักฟิสิกส์ไทยสำหรับการวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิง เพื่อนำเส้นใยนาโนมาประยุกต์ใช้จริง สามารถสร้างคุณค่าทางวิชาการ ประโยชน์และรายได้ให้กับประเทศต่อไป

•  อิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนาม เทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนามถูกรายงานขึ้นเป็นครั้งแรกโดย Sun และคณะ [1] แห่งมหาวิทยาลัย Xiamen ประเทศจีน งานวิจัยนี้เป็นการค้นพบนวัตกรรมใหม่ระดับ breakthrough ของการวิจัยทางด้าน อิเล็กโตรสปินนิงเพื่อประดิษฐ์เส้นใยนาโนของแข็งในรูปแบบที่สามารถกระทำ/เขียนเป็นเส้นได้โดยตรง โดยเส้นใยมีความ ต่อเนื่อง และสามารถควบคุมการเกิด / จัดเรียงตัวของเส้นใยนาโนได้อย่าง แม่นยำ เทคนิคนี้แตกต่างจากเทคนิค อิเล็กโตรสปินนิงแบบมาตรฐาน (ดั้งเดิม) ซึ่งเป็นกระบวนการที่เส้นใยนาโนเกิดขึ้นแบบสุ่มและไม่เป็นระเบียบ รูปที่ 1 แสดงแผนภาพของเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนาม

รูปที่ 1 แผนภาพแสดงเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนาม [1]

ในกระบวนการอิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนาม ปลายของทังสเตน ( เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 25 ไมโครเมตร ) ถูกใช้เป็นอิเล็กโตรดและจุ่มลงไปในสารละลายพอลิเมอร์เพื่อให้หยดของสารละลายพอลิเมอร์ติดอยู่ที่ปลายของทังสเตนซึ่ง ต่อเข้ากับส่วนของแหล่งกำเนิดศักย์ไฟฟ้ากำลังสูง ( รูปที่ 1 ก ) เมื่อให้ศักย์ไฟฟ้ากำลังสูงที่ปลายของทังสเตน (รูปที่ 1 ข) ซึ่งมีหยดของสารละลายพอลิเมอร์ติดอยู่ (รูปที่ 1 ค) พบว่า หากสนามไฟฟ้ามีค่ามากพอที่จะทำให้เกิดแรงผลักมากกว่า แรงตึงผิว จะส่งผลให้รูปร่างครึ่งทรงกลมของสารละลายที่อยู่ปลายทังสเตนยืดออกเป็นรูปร่างทรงกรวย เรียกว่า กรวยของเทเลอร์ (Taylor's cone ) และเมื่อสนามไฟฟ้าที่ให้กับระบบมีค่าเพิ่มสูงขึ้นจนกระทั่งถึงค่าวิกฤตค่าหนึ่ง จะเกิดแรงขับดันให้สารละลายพอลิเมอร์พุ่งออกมาเป็นลำ ซึ่งต่อมาลำของสารละลายนี้จะยืดออกจนมีขนาดเส้น ผ่าศูนย์กลางเล็กลงถึงระดับนาโนเมตร แล้วตกลงบนวัสดุรองรับที่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็วทำให้ได้ เส้นใยที่มีความต่อเนื่อง และสามารถควบคุมการเกิด / จัดเรียงตัวของเส้นใยนาโนได้อย่าง แม่นยำ จะเห็นว่า กระบวนการที่เกิดขึ้นจะมีความคล้ายกับเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบดั้งเดิมดังที่ได้กล่าวมาแล้วใน ตอนที่ 1 แต่ใช้ศักย์ไฟฟ้ากำลังต่ำขนาดประมาณ 600 โวลต์ เท่านั้น ต่างจากเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบดั้งเดิมที่ต้อง ใช้ศักย์ไฟฟ้ากำลังสูงขนาด 10 -50 กิโลโวลต์ ในกระบวนการประดิษฐ์เส้นใย

รูปที่ 2 แสดงเส้นใยของ polyethylene oxide, PEO (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 300 นาโนเมตร) ประดิษฐ์ด้วยเทคนิค อิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนาม โดยส้นใยรองรับบนแผ่นซิลิกอนและระบบรองรับเส้นใยเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วแตกต่างกันที่ 5 เซนติเมตร / วินาที (รูปที่ 2 ก ) 10 เซนติเมตร / วินาที (รูปที่ 2 ข ) 15 เซนติเมตร / วินาที (รูปที่ 2 ค ) 20 เซนติเมตร / วินาที (รูปที่ 2 ง ) และ 25 เซนติเมตร / วินาที (รูปที่ 2 จ) จาก รูปที่ 2 พบว่า เส้นใยมีลักษณะไม่เป็นเส้นตรงแต่เป็นเส้นตรง มากขึ้นเมื่อเพิ่มอัตราเร็วของระบบรองรับเส้นใย รูปที่ 3 สาธิตการควบคุมการเกิด / จัดเรียงตัวของเส้นใยนาโน PEO ประดิษฐ์ด้วยเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนาม โดยใน รูปที่ 3 ก เมื่อแผ่นรองรับอยู่นิ่งและใช้เวลาของการสปิน 5 วินาที พบว่าเกิดเส้นใยแบบขดซ้อนทับรอบจุดแผ่ออกไปเป็นวงเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 ไมโครเมตร รูปที่ 3 ข เมื่อครอบแผ่นรองรับ ด้วยชั้นฉนวนของซิลิกอน ไดออกไซด์หรือซิลิกา ( SiO 2 ) พบว่าเกิดเส้นใยแบบขดซ้อนทับรอบจุดแผ่ออกไปเป็นวงแหวนรี ร่วมศูนย์กลางโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 300 ไมโครเมตร รูปที่ 3 ค สาธิตการเขียนอักษรคำว่า “ Cal ” และ รูปที่ 3 ง สาธิตการเขียนเป็นสัญลักษณ์รูปตัว U โดยเวลาของการสปิน 3 วินาที [1]

รูปที่ 2 แสดงเส้นใย polyethylene oxide, PEO (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 300 นาโนเมตร) ประดิษฐ์ด้วยเทคนิค อิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนาม โดยเส้นใยรองรับบนแผ่นซิลิกอนและระบบรองรับเส้นใยเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วแตกต่างกัน : (ก) 5 เซนติเมตร / วินาที (ข) 10 เซนติเมตร / วินาที (ค) 15 เซนติเมตร / วินาที (ง) 20 เซนติเมตร / วินาที และ (จ) 25 เซนติเมตร / วินาที เงื่อนไขการเตรียมคือ 1) ระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรดกับแผ่นรองรับเท่ากับ 1 มม . ศักย์ไฟฟ้ากำลังต่ำขนาด 10 00 V และ สารละลาย PEO 5 wt % [1]

รูปที่ 3 แสดงเส้นใย polyethylene oxide, PEO ประดิษฐ์ด้วยเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนาม (ก) เมื่อแผ่นรองรับอยู่นิ่ง และเวลาของการสปิน 5 วินาทีจะเกิดเส้นใยแบบขดซ้อนทับรอบจุดแผ่ออกไปเป็นวงเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 ไมโครเมตร (ข) เมื่อครอบแผ่นรองรับด้วยชั้นฉนวนของซิลิกา จะ เกิดเส้นใยแบบขดซ้อนทับรอบจุดแผ่ออกไปเป็นวงแหวนรีร่วมศูนย์กลางโดยมี เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 300 ไมโครเมตร ( ค ) สาธิตการเขียนอักษรคำว่า Cal ( ง ) สาธิตการเขียนเป็นสัญลักษณ์รูปตัว U โดยเวลาของการสปิน 3 วินาที [1]

ในกระบวนการอิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนามตัวแปรที่สำคัญนอกเหนือจากการควบคุมการเคลื่อนที่ของระบบรองรับเส้นใยแล้ว จะต้องพิจารณาถึงขนาดศักย์ไฟฟ้าที่ใช้และระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรดกับแผ่นรองรับ จากผลการศึกษาขนาดศักย์ไฟฟ้าต่ำสุด ที่ใช้และระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรดกับแผ่นรองรับในพอลิเมอร์ที่มีความเข้มข้นต่างกัน รวมถึงผลของการใช้แผ่นรองรับที่ต่างกัน พบว่าขนาดศักย์ไฟฟ้าต่ำสุดที่ต้องใช้ในกระบวนการอิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนามเพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรดกับ แผ่นรองรับหรือเพิ่มความเข้มข้นของพอลิเมอร์ ยกตัวอย่างเช่น PEO พอลิเมอร์ที่มีความเข้มข้น 3 wt % และ 5 wt % จะต้องใช้สนามไฟฟ้าประมาณ 5 x 10 7 โวลต์ / เมตร และ 7 x 10 7 โวลต์ / เมตร ตามลำดับ นอกจากนี้เมื่อให้ ระยะห่างระหว่างอิเล็กโตรดกับแผ่นรองรับคงที่เท่ากับ 500 ไมโครเมตร แล้ว PEO พอลิเมอร์ที่มีความเข้มข้น 3 wt % จะเกิดเส้นใยนาโนที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ไม่เท่ากัน โดยที่เกิด เ ส้นใยนาโนที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับ 150-300 นาโนเมตร เมื่อเตรียมบนซิลิกอน และ 50-200 นาโนเมตร เมื่อเตรียมบนซิลิกา

จากที่กล่าวมาทั้งหมดข้างต้นพบว่าเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนาม นี้สามารถถูกพัฒนาเพื่อใช้งานใน 3 ด้านหลักๆ คือ

•  ประยุกต์ใช้ได้กับอุปกรณ์ที่ต้องการความแม่นยำในการ เกิด / จัดเรียงตัวของเส้นใยนาโน เช่น การสร้างเครื่องตรวจวัด ระดับนาโน ( nanosensor ) สำหรับการตรวจวัดทางชีวภาพ เช่น การตรวจกลูโคส เป็นต้น

•  ใช้สร้าง เส้นใยนาโน แบบไม่ได้ถักทอที่มีรูปแบบการเรียงตัวที่แน่นอน เช่น แผ่นโครงร่างสำหรับเซลล์สิ่งมีชีวิต

•  มีศักยภาพในการนำมาใช้เป็นระบบ Nanolithography สำหรับทำไมโครชิปรุ่นใหม่ทดแทนระบบ lithography แบบดั้งเดิม ที่มีระบบการใช้งานที่ซับซ้อนและมีราคาแพงมาก

 

•  ความพร้อมและศักยภาพของประเทศไทยสำหรับการวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิง ในปัจจุบันงานวิจัยทางด้าน อิเล็กโตรสปินนิงและเส้นใยนาโนได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก ได้มีการทำวิจัยในมหาวิทยาลัยและสถาบันวิจัยกว่า 100 แห่งทั่วโลก [2] โดยเน้นด้านการศึกษากระบวนการอิเล็กโตรสปินนิงและการเตรียมเส้นใยนาโนหลากหลายชนิด ซึ่งส่งผล ให้เกิดผลงานตีพิมพ์ในวารสารวิชาการและสิทธิบัตรของผลงานทางด้านนี้เพิ่มมากขึ้นอย่างรวดเร็ว จนกระทั่งล่าสุดได้มีการ จัดทำวารสารวิชาการระดับนานาชาติภายใต้ชื่อ International Journal of Electrospun Nanofibers and Applications (Science Press, India) เพื่อเผยแพร่ งานวิจัย ทางด้านนี้โดยเฉพาะ โดยเล่มแรก ( ฉบับ ม . ค . – มี . ค . 2550) ออกเดือนกุมภาพันธ์ 2550 และด้วยความสามารถในการผลิตเส้นใยนาโนได้หลากหลายและในปริมาณมากของเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิง งานวิจัยทางด้านอิเล็กโตรสปินนิงจึงเป็นหนึ่งในนาโนเทคโนโลยีที่สำคัญที่สุดในยุคนี้ และคาดว่าจะมีมูลค่าเพิ่มทาง เศรษฐกิจคิดเป็นเงินหลายหมื่นล้านบาทในระยะเวลาไม่เกิน 10 ปีข้างหน้านี้ [3] กลุ่มวิจัยที่มีความเชี่ยวชาญและมีผลงาน วิจัยเรื่องอิเล็กโตรสปินนิ่งในระดับ Top 5 ของโลก ได้แก่ (1) กลุ่มวิจัยของ Prof. Seeram Ramakrishna (Nanoscience and nanotechnology Initiative, National University of Singapore, Singapore) เป็นกลุ่มวิจัยที่เน้นการศึกษาการเตรียม เส้นใยนาโนสำหรับการประยุกต์ทางด้านการแพทย์ มีผลงานด้านอิเล็กโตรสปินนิงตีพิมพ์ในวารสารวิชาการมากกว่า 50 เรื่อง และสิทธิบัตร มากกว่า 5 เรื่อง (2) กลุ่มวิจัยของ Prof. Daren Reneker (Maurice Morton Institute of Polymer Science, University of Akron, USA) เป็นกลุ่มวิจัยบุกเบิกที่เน้นการศึกษากระบวนอิเล็กโตรสปินนิงพื้นฐานของการเกิดเส้นใย และการเตรียมเส้นใย มีผลงานด้านอิเล็กโตร สปินิง ตีพิมพ์ในวารสารวิชาการมากกว่า 30 เรื่อง และสิทธิบัตร มากกว่า 5 เรื่อง (3) กลุ่มวิจัยของ Prof. Gary L. Bowlin (Department of Biomedical Engineering, Virginia Commonwealth University, USA) เป็นกลุ่มวิจัยที่เน้นการศึกษาการเตรียมเส้นใยนาโนสำหรับการประยุกต์ทางด้าน Tissue engineering มีผลงานด้านอิเล็กโตรสปินนิงตีพิมพ์ในวารสารวิชาการมากกว่า 15 เรื่อง และสิทธิบัตร มากกว่า 3 เรื่อง (4) กลุ่มวิจัยของ Prof. Younan Xia (Department of Chemistry, University of Washington, USA) เป็นกลุ่มวิจัยที่เน้นการศึกษาการพัฒนาเทคนิคการประดิษฐ์และเตรียมเส้นใยนาโนพอลิเมอร์และเซรามิก มีผลงานด้านอิเล็กโตรสปินนิงตีพิมพ์ในวารสารวิชาการมากกว่า 15 เรื่อง และสิทธิบัตร มากกว่า 2 เรื่อง และ (5) กลุ่มวิจัยของ Prof. Gregory C. Rutledge (Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, USA) เป็นกลุ่มวิจัยที่เน้นการศึกษากระบวนอิเล็กโตรสปินนิงพื้นฐานของการเกิดเส้นใย และการเตรียมเส้นใยสำหรับการประยุกต์ทางด้านทหาร มีผลงานด้านอิเล็กโตรสปินนิงตีพิมพ์ในวารสารวิชาการมากกว่า 1 5 เรื่อง และสิทธิบัตร มากกว่า 3 เรื่อง

สำหรับประเทศไทยแล้ว งานวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิงมีค่อนข้างน้อย และในขณะนี้มีเพียง 2 กลุ่มวิจัยหลักเท่านั้น คือ กลุ่มวิจัยของ รศ. ดร. พิชญ์ ศุภผล (วิทยาลัยปิโตรเคมี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย) เป็นกลุ่มวิจัยแรกในประเทศไทย และเน้นการเตรียมเส้นใย พอลีเมอร์ สำหรับการประยุกต์ใช้ทางด้านการแพทย์ มีผลงานด้านอิเล็กโตรสปินนิงตีพิมพ์ ในวารสารวิชาการอย่างต่อเนื่องมากกว่า 15 เรื่อง และอีกกลุ่มวิจัยเป็นกลุ่มวิจัยของผู้เขียนเอง คือ กลุ่มวิจัย Small & Strong Materials Group ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ และศูนย์นาโนเทคโนโลยีบูรณาการ มหาวิทยาลัย

ขอนแก่น ซึ่งเริ่มทำการวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิง ตั้งแต่ปี 2546 โดยเน้นที่ 1) การสร้างและพัฒนาระบบอิเล็กโตรสปินนิงควบคุม ด้วยระบบคอมพิวเตอร์และมีระบบความปลอดภัยสูงสำหรับห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรม 2) การศึกษาพื้นฐาน การประดิษฐ์เส้นใยนาโนเพื่อให้สามารถออกแบบและผลิตเส้นใยที่มีคุณภาพ/สมบัติที่ดี และ 3) การประยุกต์ใช้เส้นใยนาโน โดยกลุ่มวิจัยได้เน้นการประยุกต์ใช้งานออกเป็น 4 กลุ่มย่อย คือ ก) ด้านสุขภาพ เช่น ใช้เป็น t issue engineering, drug controlled release/delivery, wound dressing, เครื่องสำอาง ข) ด้านพลังงาน เช่น เป็นส่วนประกอบของเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์เชื้อเพลิง แบตเตอรี่ เซลล์ผันไฟฟ้าจากความร้อน ค) เครื่องมือตรวจสอบด้านการป้องกันและความปลอดภัย เช่น ใช้เป็นอุปกรณ์ตรวจวัดสารพิษ สารชีวภาพ หรือก๊าซความไวสูง ง) ด้านวิศวกรรมสิ่งแวดล้อมและเทคโนโลยีชีวภาพ เช่น ใช้เป็นเมมเบรน และระบบกรองของเหลวและอากาศประสิทธิภาพสูง งานวิจัยดังกล่าวนี้ได้รับทุนสนับสนุนหลักจาก ศูนย์นาโนเทคโนโลยีบูรณาการ มหาวิทยาลัยขอนแก่น และสำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ และกำลังเข้าร่วม /จัดตั้งเป็นศูนย์เครือข่ายของศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ โดยเน้นที่การประยุกต์ใช้เส้นใยนาโนเพื่อการแพทย์และสุขภาพ

ในมุมมองของผู้เขียนแล้ว ประเทศไทยมี ความพร้อมและศักยภาพสำหรับการทำวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิงสูงมาก ทั้งด้านกำลังคน เครื่องมือ และวัตถุดิบ สามารถพัฒนางานวิจัยได้เท่าเทียมหรือแม้กระทั่งเป็นผู้นำทางด้านนี้ในระดับโลก ได้ในอนาคตอันใกล้นี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการวิจัยเพื่อประยุกต์ใช้ทางด้านการแพทย์และสุขภาพ ยกตัวอย่างเช่น การพัฒนาเส้นใยนาโนพอลิเมอร์ชีวภาพสำหรับ ใช้ทางด้าน Tissue engineering, Drug controlled release/delivery, wound dressing โดยหน่วยงานวิจัยในประเทศไทยโดยเฉพาะในมหาวิทยาลัยที่มีคณะวิชาด้านวิทยาศาสตร์พื้นฐาน วิทยาศาสตร์สุขภาพ และวิศวกรรมศาสตร์ ซึ่งหากมีโรงพยาบาลทั่วไปและโรงพยาบาลสัตว์รองรับแล้วมีข้อได้เปรียบและน่าจะประสบความสำเร็จ ในการวิจัยทางด้านนี้สูงสุด ทั้งนี้เนื่องจากหน่วยงานดังกล่าวนี้จะมีความพร้อมในการ ทำงานวิจัยแบบบูรณาการ โดยนักวิจัยมาจากหลากหลายสาขา เช่น วิทยาศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ เภสัชศาสตร์ แพทยศาสตร์ และสัตวแพทยศาสตร์ โดยทีมนักวิจัยสามารถเข้าถึงการใช้เครื่องมือร่วมกันและสามารถสนับสนุนงานวิจัยซึ่งกันและกันได้ เช่น ทีมวิจัยจากวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ ช่วยทางด้านสังเคราะห์สารตั้งต้น (เช่น โปรตีนจากธรรมชาติ พอลิเมอร์ทั้งแบบสังเคราะห์และจากธรรมชาติ เป็นต้น) การสร้างเครื่อง อิเล็กโตรสปินนิง สำหรับผลิตและศึกษา สมบัติพื้นฐานของเส้นใยนาโนทั้งเชิงทฤษฎีและการทดลอง รวมไปถึงการออกแบบผลิตภัณฑ์ ทีมวิจัยจากเภสัชศาสตร์ ช่วยทางด้านการทดสอบทางด้านยาและการออกฤทธิ์ รวมถึงการหาสารสกัดผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติใหม่ๆ สำหรับพัฒนา ใช้ร่วมกับเส้นใยนาโนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการรักษาทีมวิจัยจากแพทยศาสตร์และสัตวแพทยศาสตร์สามารถทดสอบสมบัติ ทางชีวภาพทั้งแบบ in vitro และ in vivo โดยมีโรงพยาบาลและโรงพยาบาลสัตว์ซึ่งเป็นหน่วยงานที่จะสนับสนุนสำหรับการทำวิจัย ในระดับคลินิก ซึ่งสำหรับประเทศไทยแล้วน่าจะทำได้สะดวก รวดเร็วและมีประสิทธิภาพ สูงสุด ทั้งยังมีกรณีศึกษา หลากหลายอีกด้วย

•  บทบาทของนักฟิสิกส์ไทย นักฟิสิกส์ถือเป็นกลุ่มนักวิจัยที่มีส่วนสำคัญในการสร้างงานวิจัยพื้นฐานแทบทุกด้าน และแน่นอนการวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิงต้องการนักฟิสิกส์มาเป็นส่วนหนึ่งของทีมวิจัยด้วย นักฟิสิกส์เหมาะที่จะการศึกษาพื้นฐานของกระบวนการทางอิเล็กโตรสปินนิง กลไกการเกิดเส้นใยนาโนและผลทางด้าน quantum confinement การพัฒนาระบบอิเล็กโตรสปินนิงสำหรับใช้ในการประดิษฐ์เส้นใยนาโน (โดยเฉพาะ อิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนาม) ตัวอย่างระบบอิเล็กโตรสปินนิ่งต้นแบบควบคุมด้วยระบบคอมพิวเตอร์ที่พัฒนาโดยกลุ่มวิจัย Small & Strong Materials Group ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น แสดงใน รูปที่ 4 ( ผลงานนี้ได้รับ รางวัลชมเชย ผลงานประดิษฐ์คิดค้น ประจำปี 2549 สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ ชื่อผลงานประดิษฐ์คิดค้น “ ระบบอิเล็กโตรสปินนิงควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์สำหรับประดิษฐ์เส้นใยนาโน ” สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ) นอกจากนี้ นักฟิสิกส์ยังมีบทบาทในการพัฒนาการประยุกต์ ใช้เส้นใยนาโนแนวใหม่ ได้แก่ ด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ เช่น เซนเซอร์ความไวสูงยิ่ง ( Ultra-sensitive sensors) ผิวหนังอิเล็กทรอนิกส์ ( electronic skin) ที่ซ่อมแซมตัวเองได้ เส้นในนาโนกักเก็บพลังงานความจุสูง (high capacity energy-storage nanofibers )) เส้นใยนาโนแบบหลายหน้าที่ ( multifunctional nanofiber ) เส้นใยนาโนโครงสร้างเลียนแบบโครงสร้างนาโนในธรรมชาติ (biomimic nanostructure fiber) และระบบกรองนาโนแบบฉลาด (intelligent nanofiltration) เป็นต้น

รูปที่ 4 แสดงระบบอิเล็กโตรสปินนิ่งควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์สำหรับประดิษฐ์เส้นใยนาโน KKU ElectroSys I พัฒนาโดยกลุ่มวิจัย Small & Strong Materials Group ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น

สำหรับผู้เขียนแล้วสิ่งที่ท้าท้ายที่สุดของ การวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิง คือ การศึกษา ระบบการสร้างเส้นใยนาโน เลียนแบบแมงมุม ( spider-like electrospinning ) และสร้างระบบประดิษฐ์เส้นใยนาโนเลียนแบบแมงมุม อันที่จริง โดยส่วนตัวแล้วผู้เขียนชอบดูภาพยนตร์การ์ตูนเรื่อง ไอ้แมงมุม มาตั้งแต่สมัยยังเป็นเด็ก และหลายครั้งยังจินตนาการว่า ตัวเองเป็นมนุษย์แมงมุม แต่ยังคงสงสัยจนกระทั่งทุกวันนี้ว่าแมงมุมมันสร้างเส้นใยของมัน ได้อย่างไร ? (เพื่อจะตอบข้อสงสัยนี้ คงต้องกลับไปฟัง เพลง “ มิสเตอร์ แมงมุม ” ของคุณหรั่ง ร็อคเคสตรา ไม่แน่ใจว่ายังมี พี่ๆน้องๆชาวฟิสิกส์ท่านใดที่รู้จักเพลง นี้บ้าง เสียดายผมหาซื้อ CD ไม่ได้เลย มิเช่นนั้นแล้วคงจะได้ทราบพฤติกรรมของแมงมุม มากกว่านี้) ที่นี้ ลองย้อนกลับมา พิจารณาการสร้างเส้นใยของแมงมุม (ดูรูปที่ 5 ) ซึ่งเราจะพบว่า การสร้างเส้นใยของแมงมุม นั้นมีวิวัฒนาการมานานมากกว่า 400 ล้านปีแล้ว รูปที่ 5 ก แสดงโครงเส้นใยของแมงมุมที่เห็นได้ทั่วไปสำหรับดักจับเหยื่อ รูปที่ 5 ข แสดงเส้นใยของแมงมุมขนาด ประมาณ 20 นาโนเมตรที่พุ่งออกมาจากท่อเล็กๆ หลายท่อแล้วบิดรวมกันเป็นเส้นขนาดใหญ่ขึ้น (ระดับไมโครเมตร) ส่วน รูปที่ 5 ค ภาพถ่ายระยะประชิด แสดงเส้นใยของแมงมุมหลายเส้นที่พุ่งออกมาจากท่อเล็กๆ กลไกที่เกิดขึ้นนี้เป็นสิ่งที่น่าสนใจและท้า ทายสำหรับนักวิทยาศาสตร์เป็นอย่างมาก หากเปรียบเทียบกับกระบวนการ อิเล็กโตรสปินนิงที่ต้องใช้ศักย์ไฟฟ้าสูงถึง 10-50 กิโลโวลต์ในการสร้างเส้นใยขนาด 100-500 นาโนเมตร แล้ว ผู้เขียน มีคำถามที่อยากทราบคำตอบจาก ผู้อ่านว่าแมงมุมใช้กลไกอะไรในการสร้างเส้นใย และหากต้องใช้ ศักย์ไฟฟ้าเช่นเดียวกันกับ กระบวนการ อิเล็กโตรสปินนิงจะต้องใช้ขนาดเท่าใด ?

จากที่ได้เขียนเรื่องราวเกี่ยวกับเส้นใยนาโนทั้ง สามตอน ผู้เขียนได้ อธิบายพื้นฐานอิเล็กโตรสปินนิง การประยุกต์ ใช้เส้นใยนาโนที่เตรียมด้วยเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิง อิเล็กโตรสปินนิงแบบใกล้สนาม ความพร้อมและศักยภาพ ของประเทศไทยสำหรับการวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิง รวมถึงบทบาทของนักฟิสิกส์ไทยสำหรับการวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิง ผู้เขียนหวังว่าบทความนี้จะเป็นส่วนหนึ่งที่สร้างแรงจูงใจแก่นักวิจัยให้เกิดการทำวิจัยทางด้าน อิเล็กโตรสปินนิงในประเทศ ไทยมากยิ่งขึ้น หากมีความก้าวหน้าหรือเรื่องราวที่น่าสนใจเกี่ยวกับเส้นใยนาโนและ อิเล็กโตรสปินนิงผู้เขียนจะ พยายามนำมาเขียนลงในคอลัมน์นี้อีก ในโอกาสต่อไป

 

รูปที่ 5 แสดงการสร้างเส้นใยของแมงมุมซึ่งมีวิวัฒนาการมามากกว่า 400 ล้านปี ( ก ) โครงเส้นใยของแมงมุมที่เห็นได้ ทั่วไปสำหรับดักจับเหยื่อ ( ข ) เส้นใยของแมงมุมขนาด 20 นาโนเมตรที่พุ่งออกมาจากท่อเล็กๆ หลายท่อแล้วบิดรวมกัน เป็นเส้นขนาดใหญ่ขึ้น (ระดับไมโครเมตร) ( ค ) ภาพถ่ายระยะประชิด แสดงเส้นใยของแมงมุมหลายเส้นที่พุ่งออกมาจากท่อเล็กๆ ( รูปที่ 5 ก ได้รับความอนุเคราะห์จาก Prof. Dr. Ji-Huan He แห่ง Donghua University ประเทศจีน ; รูปที่ 5 ข และ 5 ค สืบค้นจาก Dennis Kunkel Microscopy, Inc )

กิตติกรรมประกาศ

ขอขอบคุณ ศูนย์วิจัยนาโนเทคโนโลยีบูรณาการ ฝ่ายวิจัย มหาวิทยาลัยขอนแก่น และสำนักงานคณะกรรมการสภาวิจัยแห่งชาติ ( วช .) สำหรับทุนวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิง

เอกสารอ้างอิง

[1] D. Sun, C. Chang, L. Lin, Near-field electrospinning, Nano Letters 6 (2006) 839-842.

[2] S. Ramakrishna, K. Fujihara, W-E Teo , T. Yong, Z. Ma, R. Ramaseshan, Electrospun Nanofibers: Solving Global Issues, Materials Today 9 (2006) 40-50.

[3] ได้จากการวิเคราะห์ของผู้เขียนโดยอาศัยข้อมูลจากเอกสารอ้างอิง [2]

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

* ผู้ช่วยศาสตราจารย์ (ดร.) ศูนย์วิจัยนาโนเทคโนโลยีบูรณาการและกลุ่มวิจัย Small & Strong Materials Group (SSMG) ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น