หมุดควอนตัม (Quantum dot)
สำหรับบทความนี้จะมีความลึกซึ้งนิดนึงนะครับ เพราะว่าเราจะจินตนาการลงลึกไปศึกษาเกี่ยวกับสิ่งที่มีขนาดเล็กมากๆ ระดับที่เรียกว่า ควอนตัม
หลายท่านอาจจะสงสัยตั้งแต่เห็นหัวข้อนะครับว่าหมุดควอนตัม คืออะไร? ต้องบอกก่อนว่าความพิเศษของหมุดควอนตัมนี้ก็คือ มันมีขนาดเล็กมากๆ ถึงระดับนาโนเมตร (0.0000001 เซนติเมตร = 1 นาโนเมตร) และประกอบด้วยสารชนิดเดียวที่เมื่อเรากระตุ้นมันด้วยพลังงานแล้วมันจะคายกลับมาในรูปของแสง ฟังดูก็ธรรมดานะครับ เพราะว่า.. เดี๋ยวผมขออธิบายหลักการดูดกลืนและคายพลังงานของสสารก่อนนะครับ
โดยปกติแล้ว ธาตุหนึ่งตัวจะมีนิวเคลียสอยู่ตรงกลาง(ประกอบด้วยโปรตอนกับนิวตรอน) และมีอิเล็กตรอนอยู่รอบๆเป็นระดับพลังงานที่ต่างกันไป ยิ่งอิเล็กตรอนตัวไหนอยู่ใกล้นิวเคลียสก็จะยิ่งมีพลังงานต่ำ หรือมีความเสถียรนั่นเอง ทีนี้ผมอยากให้ลองนึกภาพตามแบบนี้ครับ ถ้าเราให้พลังงานกับอะตอมของธาตุนั้นเปรียบเสมือนว่าอิเล็กตรอนที่เสถียรอยู่มันได้รับพลังงานเข้ามา ซึ่งทำให้มันร้อนรนครับ มันจะอยู่ที่เดิมไม่ได้ ต้องขึ้นไปอยู่ที่สูงกว่าเดิมเพราะพลังงานในตัวมันไม่เท่าเดิมแล้ว
แต่ แต่... มันไม่ได้ขึ้นไปเลยนะครับหลังจากที่มันได้รับพลังงานมาแล้ว ผมอยากให้นึกภาพตามอีกรอบครับ พฤติกรรมของอิเล็กตรอนเหมือนกับว่ามันกำลังขึ้นบันไดอยู่ การให้พลังงานกับมันเหมือนเป็นการทำให้ตัวมันมีแรงกระโดดมากขึ้น ดังนั้นถ้าหากว่าพลังงานที่เราให้ไปไม่พอที่จะให้อิเล็กตรอนกระโดดถึงขั้นต่อไป มันก็จะยังอยู่ขั้นบันไดเดิม ต่างกับที่เราเข้าใจทั่วไป เช่น เราอาจจะนึกว่าอิเล็กตรอนนี้อยู่บนทางลาดชันที่มันจะไต่ขึ้นไปเรื่อยๆเมื่อได้รับพลังงาน
Cr. สสวท.
ที่เล่ามาก็อาจจะไม่เกี่ยวเท่าไหร่นะครับ แต่ประเด็นก็คือว่าเมื่อมันถูกกระตุ้นขึ้นไปแล้ว มันสามารถที่จะกลับมาที่เดิมซึ่งเป็นที่เสถียรของมัน และการที่กลับมาที่เดิมนั้น จะมีการคายพลังงานออกมาในรูปของแสง สิ่งที่เราสังเกตเห็นก็คือสีของแสงนั้นๆ ซึ่งจะแตกต่างกันไปตามระยะห่างของระดับพลังงาน หรือว่าระยะระหว่างขั้นบันได ที่มันกลับลงมา
และนั่นแหละครับ เป็นหลักการของการเห็นสีของสิ่งของทุกๆอย่างรอบตัวเรา ซึ่งผมก็ได้กล่าวไปว่าหมุดควอนตัมเนี่ย มีสมบัติดังกล่าว จึงไม่เป็นทีน่าแปลกใจอะไร แต่ความพิเศษที่แตกต่างของมันอยู่ที่ว่า... สสารทั่วไปก็จะมีสีที่เฉพาะของตัวเองใช่ไหมครับ
มันไม่ใช่กับเจ้าหมุดควอนตัมครับ ด้วยความที่มันขนาดเล็กมากจึงมีการแสดงคุณสมบัติบางอย่างที่มหัศจรรย์ออกมา ก็คือเพียงแค่เราปรับขนาดของเจ้าหมุดควอนตัม เช่น จาก 2 นาโนเมตร เป็น 7 นาโนเมตร ก็จะส่งผลให้สีของมันเปลี่ยนไป โดยที่ใช้สารตัวเดิม ทุกอย่างเหมือนเดิม แค่เปลี่ยนขนาด
นอกจากนี้นะครับ แสงที่ปล่อยออกมายังเป็นช่วงความยาวคลื่นที่แคบมากๆ ถ้านึกไม่ออกว่าคือยังไง ผมจะอธิบายเพิ่มให้ครับ โดยปกติสีของสิ่งต่างๆที่เราเห็นจะเป็นสีของแสงความยาวคลื่นที่ต่างๆกันผสมกันจนเป็นสีให้เรามองเห็น เหมือนแสงขาวจากดวงอาทิตย์นั่นแหละครับ ที่เรามองเป็นสีขาว แต่มันประกอบไปด้วยแสงที่มีสีต่างกันถึง 7 สี แต่หมุดควอนตัมนี้ ถ้าหากว่าเราเห็นมันปล่อยแสงสีส้มออกมา ความยาวคลื่นของแสงส่วนใหญ่ที่ปล่อยออกมาก็จะเป็นช่วงของสีส้มเท่านั้น
แล้วถามว่าประโยชน์ของมันคืออะไร?
จริงๆแล้วมีมากมายเลยครับ มีการนำไปใช้ในทางการแพทย์ โดยอาศัยความเล็กของมันและเปล่งแสงได้ คือการทำให้ตัวหมุดควอนตัมมีพื้นผิวที่จำเพาะกับเซลล์ต่างๆ เช่น เซลล์มะเร็ง เชื้อโรค ก็จะทำให้มันไปเกาะกับเซลล์นั้นๆ แล้วก็ทำให้วิเคราะห์ได้ว่าเซลล์ไหนเป็นมะเร็ง หรือเชื้อโรคอยู่ตรงไหน
การประยุกต์ใช้หมุดควอนตัมเกี่ยวกับ stem cell | BioMed Central
ยังมีอีกจุดที่สำคัญก็คือการที่มันเปล่งแสงได้อย่างจำเพาะในช่วงความยาวคลื่นของสีต่างๆ ถ้าหากว่าเราผสมหมุดควอนตัม 3 ขนาดซึ่งมีขนาดที่เหมาะสมเป็นแม่สีทั้ง 3 ก็จะทำให้เราสามารถสร้างอุปกรณ์ที่ให้แสงขาวที่ประหยัดพลังงานมาก
คำถามต่อไปก็คือ สมบัติเหล่านั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร?
โดยทั่วไปหมุดควอนตัมจะใช้สารกึ่งตัวนำ เช่น CdSe PbS ซึ่งสารเหล่านี้จะมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าเมื่อถูกกระตุ้นเท่านั้น
คุณสมบัตินำไฟฟ้านี้ถ้านึกภาพก็คือ ถ้ามีก้อนของสารชนิดหนึ่งอยู่ แล้วสารนั้นนำไฟฟ้า จะทำให้อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อิสระทั่วก้อนของสารนั้น ปกติแล้วในสเกลขนาดใหญ่ผลของการเคลื่อนที่อิสระของอิเล็กตรอนจะไม่ส่งผลอะไรครับ นึกภาพเหมือนว่าขนาดมันใหญ่มากๆ เมื่อเราเทียบกับขนาดของอิเล็กตรอน เปรียบเสมือนว่ามันสามารถเคลื่อนได้อิสระจริงๆโดยไม่มีการกั้นบริเวณ
แต่ในระดับนาโนอย่างหมุดควอนตัม เหมือนว่าอิเล็กตรอนนั้นจะถูกกักบริเวณในการเคลื่อนที่ ดังนั้นเวลาที่เราให้พลังงานกับอิเล็กตรอนเป็นการกระตุ้นมัน แทนที่มันจะเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ แต่มันถูกกักบริเวณไว้ ดังนั้นมันจึงจำเป็นต้องนำพลังงานที่เราให้ ไปใช้ในการกระตุ้นตัวเองไปอยู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ยิ่งขนาดของหมุดควอนตัมเล็กมาก ก็จะทำให้พลังงานที่มันดูดกลืนไปมากขึ้น คายออกมาก็จะมากด้วยเช่นกัน แสงจึงมีสีอยู่ช่วงสีม่วง
สีที่แตกต่างกันของหมุดควอนตัมขนาด 2 nm - 7 nm
เมื่อเราปรับขนาดของหมุดควอนตัมให้ขยายใหญ่ขึ้น เป็นการเพิ่มบริเวณให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่มากขึ้น การดูดกลืนพลังงานไปใช้สำหรับเปลี่ยนระดับพลังงานจึงน้อยลง คายออกมาก็จะเป็นสีไปทางสีแดงมากขึ้น
กระบวนการต่างๆเหล่านี้ค่อนข้างนึกตามยาก เพราะสิ่งที่มีขนาดเล็กระดับควอนตัมมักจะมีพฤติกรรมที่แปลกออกไปจากที่มนุษย์เราคุ้นเคย บางอย่างจึงเข้าใจได้ยาก แต่อย่างไรก็ตาม การศึกษาพฤติกรรมเหล่านี้ก็สามารถนำสิ่งแปลกๆดังกล่าวมาประยุกต์เพื่อประโยชน์ด้านต่างๆได้ สำหรับบทความนี้เพื่อไม่ให้มึนมากกว่านี้ ขอจบแค่นี้นะครับ
อ้างอิง :
Raymond Chang. CHEMISTRY. 12th Edition. Copy right by McGraw-Hill International Enterprise LLC.
- 5
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
