ควอนตัมดอตส์คืออะไร? สำคัญอย่างไร? ทำไมคว้าโนเบลสาขาเคมี 2023
ควอนตัมดอตส์คืออะไร? สำคัญอย่างไร?
ทำไมคว้าโนเบลสาขาเคมี 2023
#แบบเข้าใจง่ายๆ
(เรียบเรียงโดย ศุภกิจ พัฒนพิฑูรย์ )
คณะกรรมการรางวัลโนเบลได้ประกาศมอบรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี ค.ศ. 2023 ให้แก่นักวิทยาศาสตร์สามท่าน ได้แก่ โมนกิ บาเวนดี (Moungi Bawendi) สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์, หลุยส์ บรูส (Louis Brus) มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย และอะเล็กซี เยคีมอฟ (Alexei Ekimov) จากบริษัทนาโนคริสตัลเทคโนโลยี จำกัด สำหรับการค้นพบและสังเคราะห์ควอนตัมดอตส์ (quantum dots) วัสดุเส้นผ่านศูนย์กลางไม่กี่นาโนเมตรที่เปล่งแสงเป็นสีต่างๆ ได้ตามขนาดที่กำหนด
โมนกิ บาเวนดี (Moungi Bawendi), หลุยส์ บรูส (Louis Brus)และอะเล็กซี เยคีมอฟ (Alexei Ekimov) ที่มา : newagebd.net
ใครที่กำลังมองหาสมาร์ททีวีในช่วงปีหลังๆ มานี้ น่าจะเคยเห็นคำว่า “QLED” ผ่านตามาบ้าง ตัวอักษร “Q” นั้นหมายถึง Quantum dots ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) ไซซ์นาโนเมตรที่เมื่อเปลี่ยนขนาด ก็จะเปลี่ยนสีที่เปล่งออกมาได้ตามที่กำหนด จนเกิดเป็นหน้าจอที่ให้สีสันสดสวย ตรงเฉดสี ขอบบางเฉียบ และมีความสว่างเหมาะสมสำหรับการเป็นอุปกรณ์มอบความบันเทิงคู่บ้านของเรา
กว่าจะมาเป็นเทคโนโลยีที่เข้าถึงได้ และกว่าจะได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปีนี้ ย้อนไป 80 กว่าปีก่อน วัสดุที่เปลี่ยนคุณลักษณะได้ตามขนาด เป็นเพียงสิ่งที่มีอยู่จริงในทางทฤษฎีเท่านั้นวัสดุต่างๆ ที่ตาเรามองเห็นมือเราจับต้องได้ เมื่อมันถูกทำให้ขนาดเล็กลงไปจนเหลือเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงไม่กี่นาโนเมตร
อิเล็กตรอนซึ่งแสดงคุณสมบัติเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค จะถูกบีบอัดจนมีพลังงานสูงขึ้น และเมื่อเราฉายรังสียูวีเข้าไป อิเล็กตรอนของวัสดุไซซ์นาโนดังกล่าวจะดูดซับพลังงานแล้วคายกลับคืนมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งบางส่วนเป็นช่วงคลื่นแสงที่ตามองเห็นได้
วัสดุต่างๆ ที่ตาเรามองเห็นมือเราจับต้องได้ เมื่อมันถูกทำให้ขนาดเล็กลงไปจนเหลือเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงไม่กี่นาโนเมตร อิเล็กตรอนซึ่งแสดงคุณสมบัติเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค จะถูกบีบอัดจนมีพลังงานสูงขึ้น และเมื่อเราฉายรังสียูวีเข้าไป อิเล็กตรอนของวัสดุไซซ์นาโนดังกล่าวจะดูดซับพลังงานแล้วคายกลับคืนมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งบางส่วนเป็นช่วงคลื่นแสงที่ตามองเห็นได้
หากวัสดุนาโนมีขนาดใหญ่ คลื่นอิเล็กตรอนที่เปล่งออกมาจะมีพลังงานต่ำ ความยาวคลื่นกว้าง ตาเรารับรู้เป็นสีแดง หากเราค่อยๆ บีบอัดให้วัสดุนั้นมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ คลื่นอิเล็กตรอนก็จะถูกบีบอัดจนมีความยาวคลื่นแคบลงเรื่อยๆ ดวงตาของเราก็จะร้บรู้เป็นสีส้ม เหลือง แดง เขียว และน้ำเงิน ตามลำดับของสีสันบนสายรุ้ง
ปรากฏการณ์ทางควอนตัมนี้ ได้รับการพิสูจน์ด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ แต่ยังไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใดที่ตั้งใจสร้างวัสดุขนาดนาโนเปลี่ยนสีขึ้นมาได้ จวบจนกระทั่งยุคสงครามเย็น
แรงบันดาลใจจากกระจกสี สู่สารตั้งต้นของหน้าจอสี
ช่างฝีมือยุคโบราณรู้จักการทำกระจกสีมาแล้วอย่างน้อยหลายพันปีผ่านการเติมโลหะอย่างเงิน ทอง และแคดเมียมเข้าไปและเล่นกับอุณหภูมิระหว่างการหลอมกระจก สุดท้ายเราก็จะได้กระจกสีสำหรับประดับประดาโบสถ์และเครื่องประดับชิ้นสำคัญ
กระจกสีที่บอกเล่าเรื่องราว ณ วัดเซนต์แมรีที่หมู่บ้านแฟร์ฟอร์ด ที่มา : wikipedia.org
การประดิษฐ์กระจกสีกระทบใจอะเล็กซี เยสิมอฟ เข้าอย่างจัง เขาสงสัยว่าทำไมกระจกที่ผสมโลหะชนิดเดียวกัน สามารถให้สีที่ต่างกันออกไปได้ เพียงแค่หลอมด้วยอุณหภูมิที่แตกต่างกัน
อะเล็กซี เยสิมอฟ อาศัยองค์ความรู้ด้านสารกึ่งตัวนำ หลอมแก้วที่ผสมเข้ากับคอปเปอร์คลอไรด์ด้วยอุณหภูมิ 500-700 องศาเซลเซียส เป็นเวลาตั้งแต่ 1-96 ชั่วโมง แล้วฉายรังสีเอ็กซ์เพื่อสำรวจรูปร่างและขนาดของอนุภาค เขาพบว่าเบื้องหลังของสีสันที่ปรากฏออกมาแตกต่างกัน เกิดจากขนาดอนุภาคที่แตกต่างกันตั้งแต่ 2-30 นาโนเมตร
อะเล็กซีตีพิมพ์ผลงานสำหรับจบการศึกษาระดับปริญญาเอกของเขาในปีค.ศ. 1981 ในวารสารวิชาการของสหภาพโซเวียต ณ ขณะนั้น แน่นอนว่าองค์ความรู้นี้ไม่สามารถทะลุผ่านม่านเหล็กออกมายังโลกตะวันตกได้ ต่อมาไม่นานนัก หลุยส์ บรูส จึงค้นพบสิ่งเดียวกันในสภาวะที่เป็นสารละลายเมื่อปีค.ศ. 1983
ย้อนไปเมื่อ 40 ปีก่อน หลุยส์ บรูสกำลังศึกษาการใช้ประโยชน์จากสารละลายแคดเมียมซัลไฟด์มาเร่งปฏิกิริยาเคมี และเขาต้องทำให้อนุภาคแคดเมียมซัลไฟด์มีขนาดเล็กมากๆ เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสำหรับการเร่งปฏิกิริยา
แคดเมียมซัลไฟด์ (Cadmium sulfide) ที่มา : istockphoto.com
หลุยส์ค้นพบโดยบังเอิญว่า ยิ่งอนุภาคมีขนาดเล็กลงเท่าไร ก็ยิ่งดูดซับแสงที่มีสเปกตรัมไปทางสีฟ้ามากขึ้นเท่านั้น เขาตีพิมพ์ผลงานนี้ในปีค.ศ. 1983 และเมื่อทดสอบกับสารอื่นๆ ก็ให้ผลอย่างเดียวกัน นั่นคือ ขนาดของอนุภาคในระดับนาโน ส่งผลต่อคุณสมบัติทางแสงของมัน
แม้ว่าจะสามารถพิสูจน์ทฤษฎีทางควอนตัมได้แล้ว แต่การสังเคราะห์ควอนตัมดอตส์ในยุคแรกเริ่ม ยังไม่มีประสิทธิภาพเท่าไรนัก โมนกิ บาเวนดี ใช้เวลาเกือบสิบปี พัฒนากระบวนการสังเคราะห์ควอนตัมดอตส์ให้ได้มาตรฐาน และควบคุมขนาดได้ดังใจ
โมนกิ บาเวนดีค่อยๆ หยดแคดเมียมเซเลไนด์ลงไปในสารละลายจนอิ่มตัว ซึ่งเมื่อเพิ่มปริมาณแคดเมียมเซเลไนด์เข้าไปอีก มันก็จะตกผลึก และขนาดของผลึกก็จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้น หากเราใช้สารละลาย อุณหภูมิ และเวลาที่เหมาะสม เราก็จะสังเคราะห์ควอนตัมดอตส์ออกมาเป็นขนาดต่างๆ ได้ตามที่ต้องการ
และแล้วก็ได้เวลาที่นักวิทยาศาสตร์จะนำควอนตัมดอตส์ไปศึกษาคุณสมบัติทางนาโนเทคโนโลยี และสานต่อเป็นนวัตกรรม
อนาคตที่สดใสในโลกของควอนตัม
ทีวี QLED ที่แสดงสีสันได้นับล้าน เกิดจากการใช้แสงสีฟ้าจากไดโอด (ซึ่งเป็นผลงานที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ไปเมื่อปี ค.ศ. 2014) ฉายไปบนวัสดุควอนตัมดอตส์ซึ่งจะเปลี่ยนเป็นสีเขียวและแดง อันเป็นแม่สีหลักบนหน้าจอทีวี นอกจากนี้ควอนตัมดอตส์ยังถูกนำไปใช้ในหลอดไฟ LED ที่เปลี่ยนสีได้ผ่านการควบคุมระบบสมาร์ทโฮมด้วย
ภาพเปรียบเทียมทีวี OLED กับ ทีวี QLED ที่มา avtechguide.com
เนื่องจากควอนตัมดอตส์เป็นสารอนินทรีย์ที่มีความคงทนและเปล่งพลังงานแสงออกมาด้วยค่าที่แน่นอน นักเคมีสามารถนำไปใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ หากข้ามสายไปที่วิทยาศาสตร์ชีวภาพและการแพทย์ นักวิจัยเริ่มมีการประยุกต์ใช้ควอนตัมดอตส์ติดตามสารชีวโมเลกุลที่สนใจในเซลล์หรือเนื้อเยื่อ ไปจนถึงเซลล์มะเร็งในร่างกาย
ในอนาคต ควอนตัมดอตส์อาจจะไปอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เซนเซอร์ขนาดเล็กจิ๋ว โซลาร์เซลล์รุ่นใหม่ที่บางกว่าเดิม รวมถึงเทคโนโลยีการเข้ารหัสการสื่อสารแบบควอนตัม
รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปีนี้ ถือเป็นการยกย่องสามนักวิทยาศาสตร์ที่ช่วยสร้างสีสันให้แก่โลกนาโนเทคโนโลยี และโลกของเรานั่นเอง
- 19
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
