นาโน

นาโนเทคโนโลยี ดูเหมือนจะเป็นคำที่ค่อนข้างใหม่ แต่จริงๆ แล้ว ได้มีผู้ที่มองเห็นความเป็นไปได้ของเทคโนโลยีตัวนี้ตั้งแต่เมื่อ 40 ปี มาแล้ว โดยศาสตราจารย์ริชาร์ด ฟายน์แมน (Richard Feynman ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในปี ค.ศ. 1965) ได้กล่าวไว้ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1959 ว่า "สักวันหนึ่ง เราจะสามารถประกอบสิ่งต่างๆ ผลิตสิ่งต่างๆ ขึ้นมาจากการจัดเรียงอะตอมด้วยความแม่นยำ และเท่าที่ข้าพเจ้ารู้ ไม่มีกฎทางฟิสิกส์ใดๆ แม้แต่หลักแห่งความไม่แน่นอน (Uncertainty Principle) ที่จะมาขัดขวางความเป็นไปได้นี้" ท่านยังได้กล่าวย้ำถึงเทคโนโลยีตัวนี้ว่าเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้
นาโนเทคโนโลยี ถูกนิยามว่าเป็นเทคโนโลยีในการประกอบและผลิตสิ่งต่างๆ ขึ้นมาจากการจัดเรียงอะตอม หรือ โมเลกุล เข้าด้วยกันด้วยความแม่นยำ และถูกต้องในระดับนาโนเมตร เราอาจจะนิยามเทคโนโลยีที่อารยธรรมของมนุษย์ได้พัฒนาขึ้น เป็น 2 แบบคือ

เทคโนโลยีแบบหยาบ (Bulk Technology)
ซึ่งใช้จัดการกับสิ่งต่างๆ หรือ ผลิตสิ่งต่างๆ โดยอาศัยวิธีกล เช่นตัด กลึง บีบ อัด ต่อ งอ และอื่นๆ หรืออาจใช้วิธีทางเคมีโดยการผสมให้ทำปฏิกริยา โดยพยายามควบคุมสภาวะต่างๆ ให้เหมาะสม แล้วปล่อยให้สสารทำปฏิกริยากันเอง เทคโนโลยีแบบนี้สามารถใช้สร้างสิ่งเล็กๆได้ก็จริง แต่ก็ขาดความแม่นยำ และมีความบกพร่องสูง การนำเทคโนโลยีแบบหยาบไปสร้างสิ่งเล็กๆ เช่นไมโครชิพ เราเรียกว่าเป็นการใช้เทคโนโลยีแบบบนลงล่าง (Top-Down Technology) ซึ่งมีขีดจำกัดสูง ซึ่งอุตสาหกรรมผลิตไมโครชิพก็กำลังเผชิญปัญหาในการผลิตวงจรที่ระดับ 0.2-0.3 ไมครอนอยู่ แม้ว่าวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหลายจะภูมิใจกับความแม่นยำในระดับนี้ แต่ความเป็นจริงก็คือ ทรานซิสเตอร์ที่ผลิตได้ในระดับนี้ก็ยังมีจำนวนอะตอมอยู่ถึงระดับล้านล้านอะตอม เราจึงคงเรียกเทคโนโลยีในปัจจุบันของมนุษย์ แม้กระทั่งเทคโนโลยีที่ใช้ผลิตคอมพิวเตอร์ซึ่งใครๆต่างเข้าใจว่าเป็นเทคโนโลยีไฮเทคนี้ว่า เทคโนโลยีแบบหยาบ

เทคโนโลยีระดับโมเลกุล (Molecular Technology)
ซึ่งจัดการกับสิ่งต่างๆ หรือผลิตสิ่งต่างๆ โดยการนำอะตอมหรือโมเลกุลมาจัดเรียง ณ ตำแหน่งที่ต้องการอย่างแม่นยำ สิ่งที่ผลิตขึ้นมาอาจเป็นสิ่งเล็กๆ หรือ เป็นสิ่งใหญ่ก็ได้ การนำเอาเทคโนโลยีระดับโมเลกุลไปสร้างสิ่งที่ใหญ่ขึ้นมา (เช่นพืชสร้างผนังเซลล์จากการนำเอาโมเลกุลน้ำตาลมาต่อกัน) นี้ว่าการใช้เทคโนโลยีแบบล่างขึ้นบน (Bottom-Up Technology) เทคโนโลยีระดับโมเลกุลนี้เองที่เป็นนาโนเทคโนโลยี

หากเราเหลียวมองรอบๆ ตัวของเรา อุตสาหกรรมทั้งหลายในปัจจุบันล้วนแล้วแต่ใช้เทคโนโลยีแบบหยาบทั้งสิ้น ในอดีตบรรพบุรุษของเราใช้การตัด งอ ดึง กลึง หลอม เพื่อสร้างสิ่งต่างๆ ตั้งแต่ยุคหิน มายุคโลหะ แม้กระทั่งปัจจุบัน เรามีเครื่องจักรที่ซับซ้อนขึ้น มีความละเอียดมากขึ้น แต่เราก็ยังคงใช้วิธีทางกลแบบเดิมไม่ต่างกันเลย เพื่อผลิตสิ่งต่างๆ แพทย์เมื่อ 100 ปีก่อนใช้มีด เพื่อผ่าตัด ปัจจุบันเรามีเลเซอร์ใช้ แต่สังเกตดีๆ ว่าเรายังไม่อาจหนีวิธีการเดิมๆคือ การตัดเอาเนื้อเยื่อออก แล้วปล่อยให้แผลรักษาตัวมันเองโดยธรรมชาติ ตลอดอารยธรรม 2 ล้านปีของมนุษย์เรายังคงวนเวียนอยู่กับเทคโนโลยีแบบหยาบตลอดเวลา

ความรู้ในทางกลศาสตร์ควอนตัมได้ผลิดอกออกผลไม่เพียงแต่ในสาขาฟิสิกส์เท่านั้น หากมันยังเป็นพื้นฐานทั้งหมดของวิชาเคมีเลยทีเดียว จนสามารถกล่าวได้ว่าหากไม่มีกลศาสตร์ควอนตัมก็ไม่มีเคมี เพราะเราไม่อาจอธิบายสมบัติในระดับอะตอมและโมเลกุล ซึ่งก็คือเนื้อหาของวิชาเคมี ได้เลยหากปราศจากความรู้ในเรื่องของอิเล็กตรอน ซึ่งอธิบายได้ด้วยทฤษฎีควอนตัม ด้วยเหตุนี้ในปี ค.ศ. 1998 คณะกรรมการตัดสินรางวัลโนเบลจึงได้มอบรางวัลให้แก่ โคห์น และ โพเพิล ซึ่งได้พัฒนาวิธีการคำนวณทางกลศาสตร์ควอนตัม จนมีความแม่นยำสูงและใช้งานง่าย ทำให้งานวิจัยทางเคมีได้เปลี่ยนรูปโฉมไปอย่างมากตลอด 20 ปีหลังนี้ โดยนักเคมีสามารถใช้โปรแกรมคำนวณทางกลศาสตร์ควอนตัมสำเร็จรูป ตัวอย่างเช่น GAUSSIAN เพื่อศึกษาสมบัติในระดับจุลภาค ควบคู่ไปกับการทำการทดลอง นอกจากคุณูปการที่ทฤษฎีควอนตัมมีต่อสาขาเคมีแล้ว มันยังได้ขยายผลไปสู่สาขาชีววิทยา และ ชีววิทยาระดับโมเลกุลด้วย ทำให้ปัจจุบันเรามีความเข้าใจต่อกลไก ของชีวิตในระดับโมเลกุลได้ดีขึ้น มีผลไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีชีวภาพที่ช่วยทำให้ความเป็นอยู่ของมนุษย์ดีขึ้น

เมื่อเรามีความเข้าใจธรรมชาติในระดับอะตอมและโมเลกุลที่ดีขึ้น ทำไมเราจะไม่สามารถพัฒนาเทคโนโยีในระดับอะตอมและโมเลกุลได้ ด้วยความรู้ทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน ซึ่งไม่ได้ปฏิเสธความเป็นไปได้ของเทคโนโลยีระดับอะตอมหรือนาโนเทคโนโลยีนี้ ทำให้เรายิ่งมีความหวังว่าความรู้ทางวิศวกรรมระดับนาโนเมตรน่าจะสามารถพัฒนาขึ้นมาจนนำไปสู่การเกิดขึ้นของนาโนเทคโนโลยีได้

ความเป็นไปได้ของนาโนเทคโนโลยี คำตอบมีอยู่แล้วในธรรมชาติ
หากเราเชื่อศาสตราจารย์ฟายน์แมนดังที่ท่านกล่าวว่า สักวันหนึ่งเราจะสามารถประกอบสิ่งต่างๆ และ ผลิตสิ่งต่างๆ ขึ้นมาจากการจัดเรียงอะตอมด้วยความแม่นยำ เราอาจจะต้องตั้งคำถามสักสองข้อว่า วันนี้เรามีความสามารถอย่างนั้นหรือยัง และ ถ้าหากเรายังไม่ได้มีความสามารถอย่างนั้น เราจะทำอย่างไรเพื่อที่จะไปถึงจุดนั้นให้ได้ คำตอบสำหรับคำถามแรกนั้นดูจะง่ายกว่ามาก กล่าวคือ ณ วันนี้เรายังไม่มีความสามารถอย่างนั้นเลย ถึงแม้ในขณะนี้เราจะมีความสามารถในการจัดวางอะตอมบนพื้นผิวของของแข็งอย่างแม่นยำ โดยการใช้ Atomic Force Microscope (AFM) หรือ Scanning Tunnelling Microscope (STM) ในการจับอะตอมไปวางยังจุดที่ต้องการ และดูเหมือนว่าใครก็ตามที่มีเครื่องมือนี้ ก็สามารถที่จะทำงานเกี่ยวกับนาโนเทคโนโลยีได้แล้ว แต่ความสามารถดังกล่าวก็ยังคงจำกัดตัวเองอยู่ในห้องปฏิบัติการชั้นสูงเท่านั้น ยังขาดความสามารถในเชิงพาณิชย์อันจะก่อให้เกิดผลกระทบในวงกว้างที่หวังว่าจะทำให้เกิดการปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งใหม่ได้

คำตอบสำหรับคำถามข้อที่สองจึงน่าสนใจกว่า เราจะไปถึงจุดนั้นได้อย่างไร จุดที่อุตสาหกรรมสามารถผลิตสิ่งต่างๆ ได้จากการควบคุมโลกของอะตอมอย่างแท้จริง มีนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากที่ลังเลและไม่แน่ใจ บางคนมองว่านาโนเทคโนโลยีอาจเป็นเพียงนิยายวิทยาศาสตร์เท่านั้น บางคนเชื่อว่านาโนเทคโนโลยีเป็นเรื่องของอนาคตที่ค่อนข้างไกล ในขณะที่หลายๆ คนเชื่อในความเป็นไปได้ แต่ไม่แน่ใจว่าเราควรจะพัฒนานาโนเทคโนโลยีขึ้นมาดีหรือไม่ เพื่อขจัดความลังเลเหล่านั้น พร้อมทั้งสร้างความมั่นใจว่านาโนเทคโนโลยีต้องเกิดขึ้นแน่ ขอให้มองไปรอบๆตัว ธรรมชาติได้พัฒนาและใช้งานนาโนเทคโนโลยีเพื่อสร้างสิ่งมีชีวิตต่างๆขึ้นมาทั้งสิ้น เมื่อเซลล์สเปิร์มปฏิสนธิกับไข่ในครรภ์มารดา เกิดเป็นเซลล์เดี่ยวที่แบ่งตัวและพัฒนาจนกลายเป็นทารกที่มีอวัยวะอันซับซ้อน พัฒนาการต่างๆเหล่านั้นเกิดขึ้นโดยมีรูปแบบที่ค่อนข้างแน่นอน มีระบบควบคุมทำให้อะตอมและโมเลกุลต่างๆ จัดเรียงตัว ณ ตำแหน่งที่เหมาะสม นับตั้งแต่โมเลกุล DNA อันเปรียบเสมือนเป็นหน่วยความจำ ROM (Read Only Memory) ของเซลล์ ได้ถ่ายทอดข้อมูลและสารสนเทศไปยัง RNA เพื่อให้ RNA นำคำสั่งเหล่านี้ไปสังเคราะห์โปรตีน ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่ทำหน้าที่สร้างสิ่งต่างๆในเซล์ และนอกเซลล์ ดังนั้นจักรกลนาโน (Nanomachines) เหล่านี้มีอยู่แล้วในธรรมชาติ มีความสามารถในการสร้างสิ่งต่างๆ ด้วยความแม่นยำในระดับอะตอม

แม้เราจะเชื่อว่านาโนเทคโนโลยีคือสิ่งที่เป็นไปได้ แต่การตอบคำถามข้อที่สองว่าเราจะไปถึงจุดนั้นได้อย่างไรก็ยังเป็นสิ่งที่ตอบยาก อย่างน้อยก็ไม่ใช่เวลานี้ ทั้งนี้เนื่องจากเราไม่อาจรู้ว่าพัฒนาการของเทคโนโลยีจะเป็นอย่างไร แม้กระทั่งเพียงอีก 10 ปีข้างหน้า ดังคำกล่าวของ K. Eric Drexler ผู้เชี่ยวชาญทางนาโนเทคโนโลยีได้กล่าวไว้ว่า เทคโนโลยีมีลักษณะเดียวกับ วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตตามทฤษฎีของชาลส์ ดาร์วิน คือ เมื่อมันเกิดขึ้นมา มันก็จะมีการแปรเปลี่ยนให้แตกต่างออกไป (Variation and Mutation) จากนั้นมันจะแข่งกันแพร่พันธ์ เทคโนโลยีที่ขาดความสามารถในการแข่งขัน จะค่อยๆ ลดจำนวนลงไป จนในที่สุดจะเหลือแต่กลุ่มของเทคโนโลยีที่รอดพ้นจากการสูญพันธ์ เหตุนี้จึงยากต่อการทำนายว่าทิศทางของนาโนเทคโนโลยีจะเป็นอย่างไรต่อไป รู้แต่เพียงว่าจากความรู้ทางฟิสิกส์ในปัจจุบันนี้ นาโนเทคโนโลยีฝีมือมนุษย์มีความเป็นไปได้ ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์และนักนาโนเทคโนโลยีในปัจจุบันจึงแนะนำว่า ทางไปสู่จุดที่นาโนเทคโนโลยีจะสามารถพัฒนาจนเป็นอุตสาหกรรม น่าจะยึดตามแนวทางของธรรมชาติ หรือเลียนแบบนาโนเทคโนโลยีของธรรมชาตินั่นเอง เช่น เราต้องพยายามเข้าใจจักรกลนาโนของธรรมชาติว่ามันทำงานอย่างไร แล้วนำมาพัฒนาหุ่นยนต์โมเลกุล (Molecular Robotics) ฝีมือมนุษย์ในภายหลัง ตารางที่ 1 ซึ่งแสดงการเปรียบเทียบการทำงานของกลไกต่างๆตามหลักวิศวกรรมเครื่องกล กับ จักรกลนาโนที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติ นั้นทำให้ยิ่งมั่นใจว่านาโนเทคโนโลยีฝีมือมนุษย์มีความเป็นไปได้สูง หากเรามีความรู้ความเข้าใจในจักรกลนาโนที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติมากขึ้น

โปรตีน จักรกลนาโนอันน่าทึ่ง
ศาสตร์ในการออกแบบและผลิตจักรกลนาโนหรือหุ่นยนต์โมเลกุลฝีมือมนุษย์นั้น ในขณะนี้ได้รับการรู้จักกันทั่วไปว่า วิศวกรรมเชิงโมเลกุล (Molecular Engineering) เป็นการผสมผสานกันระหว่าง วิศวกรรมเครื่องกลกับวิทยาศาสตร์เชิงโมเลกุลอย่าง ฟิสิกส์ เคมี หรือ ชีววิทยาเชิงโมเลกุล (Molecular Biology) ซึ่งในเวลานี้ยังอยู่ในขั้นเริ่มต้นเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรนาโนให้ความสนใจในปัญหาเกี่ยวกับโปรตีนเป็นพิเศษ เพราะโปรตีนเป็นโมเลกุลที่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ทำหน้าที่หลากหลายตั้งแต่การช่วยสังเคราะห์โปรตีนด้วยกันเอง ควบคุมให้ปฏิกริยาต่างๆ เกิดขึ้นได้ เช่นการเผาผลาญอาหาร การกำจัดสิ่งแปลกปลอม เป็นต้น ควบคุมการเข้าออกของสารเคมีต่างๆ ผ่านเซลล์ ไปจนถึงการทำหน้าที่เป็นโครงสร้างให้กับอวัยวะ หรือทำให้สัตว์เคลื่อนไหวได้ โปรตีนเป็นโพลิเมอร์ที่ประกอบขึ้นมาจากกรดอะมิโนเพียง 20 ชนิดเท่านั้น เมื่อกรดอะมิโนแต่ละตัวมาเชื่อมต่อกันแบบหนึ่งต่อหนึ่งแล้ว มันจะปรับเปลี่ยนรูปร่างของโปรตีนไปสู่โครงสร้าง 3 มิติที่มีความซับซ้อน เราเรียกกระบวนการนี้ว่า Protein Folding ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ โปรตีนที่มีโครงสร้าง 3 มิตินี้เองจะสามารถทำหน้าที่ต่างๆ อย่างเฉพาะเจาะจงได้ อันเนื่องมาจากโครงสร้างและรูปร่างที่เฉพาะเจาะจงของมัน นักวิทยาศาสตร์พยายามทำนายวิถีทางของการปรับเปลี่ยนรูปร่างของโปรตีนไปสู่โครงสร้าง 3 มิติ แต่ก็ยังไม่พบข้อสรุปที่ชัดเจน อย่างไรก็ตามแม้เราจะยังไม่สามารถหาหลักการใดๆ มาอธิบาย Protein Folding ในธรรมชาติได้ แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าเราจะไม่สามารถออกแบบโปรตีนที่สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่าง ให้เป็นไปตามความต้องการของเราได้ วิศวกรเชิงโมเลกุลไม่ต้องการรู้หลักการที่ใช้อธิบาย Protein Folding ในธรรมชาติอย่างสมบูรณ์ก็อาจสามารถออกแบบโปรตีนได้ โดยใช้ข้อมูลและความรู้ที่อธิบายเพียงแต่ละส่วนของ Protein Folding ก็พอเพียงแล้ว ซึ่งก็มีผู้ยึดแบบแผนนี้และนำมาออกแบบและสังเคราะห์โปรตีนด้วยฝีมือมนุษย์ (de novo Design) ได้สำเร็จด้วย ศาสตร์แห่งการออกแบบสิ่งต่างๆ ที่จำเป็นต่อนาโนเทคโนโลยีนี้เรียกรวมๆ กันว่า นาโนเทคโนโลยีเชิงคำนวณ (Computational Nanotechnology) ซึ่งจะกล่าวถึงโดยละเอียดในตอนต่อๆไป

ความน่าทึ่งอีกอย่างหนึ่งของโปรตีนก็คือ มันมีความสามารถในการประกอบตัวเองได้ (Self Assembly) มีผู้ทำการทดลองแยก ribosome ซึ่งเป็นอวัยวะหนึ่งในเซลล์ที่ทำหน้าที่ผลิตโปรตีน ออกเป็นโมเลกุลย่อยๆ ซึ่งประกอบด้วยโปรตีนถึง 50 ชนิด แล้วลองผสมรวมกันใหม่ในหลอดทดลอง ผลที่ได้คือ โมเลกุลเหล่านั้นรวมตัวกันเองจนกลับมาเป็น ribosome ได้เหมือนเดิม ถ้าหากเราจับไวรัส T4 ซึ่งเป็นไวรัสที่เกาะกินแบคทีเรีย แล้วแยกชิ้นส่วนไวรัสออกเป็นโมเลกุลโปรตีนต่างๆ แยกชนิดกัน จากนั้นนำกลับมารวมกันใหม่ในหลอดทดลอง เขย่าๆ ผลที่ได้ก็คือโมเลกุลของโปรตีนเหล่านั้นจะกลับมารวมตัวกันเกิดเป็นไวรัส T4 อีกได้ (ความสามารถในการประกอบตัวเองได้นี่เอง น่าจะเป็นมูลเหตุให้การผลิตยาปราบไวรัสทำไม่ค่อยได้ผล เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์และแพทย์ยังไม่มีความรู้ในเรื่องนี้อย่างถ่องแท้: ผู้เขียน) ความสามารถในการประกอบตัวเองนี้เป็นสิ่งสำคัญที่นาโนเทคโนโลยีฝีมือมนุษย์จะต้องมี เพราะเป็นพื้นฐานที่ทำให้จักรกลนาโนมีราคาถูกในการผลิต

นอกจากความสามารถในการประกอบตัวเองแล้ว จักรกลนาโนก็ต้องการความสามารถในการขยายพันธ์ได้ด้วย (Self Replication) เพื่อที่จะทำให้การผลิตจักรกลนาโนเป็นไปได้ในราคาถูก คุณสมบัตินี้เป็นสิ่งที่เป็นไปได้ ได้มีผู้ลองแยกเอา RNA (RNA เป็นโมเลกุลที่จับตัวเป็นคู่ พันรอบกันเหมือนเกลียวเชือก) ออกจากเซลล์มาใส่ในหลอดทดลอง แล้วใส่วัตถุดิบที่จำเป็นต่อการสร้าง RNA ลงไป จากนั้นนำเอาเอนไซม์ที่ช่วยในการสร้าง RNA ใส่ลงไปด้วย ผลก็คือ RNA ที่จับคู่กันอยู่เริ่มแยกออกจากกัน และเอนไซม์ที่ใส่ลงไปจะค่อยๆ นำเอาวัตถุดิบมาสร้างคู่ของ RNA ที่อยู่โดดเดี่ยวขึ้นมาใหม่ เมื่อได้ RNA ที่เป็นคู่กันแล้ว มันจะแยกออกจากกันอีก แล้วเอนไซม์ก็จะนำเอาวัตถุดิบมาสร้างคู่ของมันอีก วนเวียนเช่นนี้จนกระทั่งไม่มีวัตถุดิบเหลือในหลอดทดลอง จะเห็นว่า Self Replication สามารถเกิดขึ้นได้นอกเซลล์ของสิ่งมีชีวิต เป็นกลไกที่มนุษย์สามารถออกแบบให้เกิดขึ้นกับนาโนเทคโนโลยีได้

ในแง่ของนาโนเทคโนโลยี โปรตีนเป็นจักรกลนาโนที่ได้รับคำสั่งให้ทำงานที่ได้รับมอบหมาย โดยโปรตีนถูกควบคุมการทำงานด้วยระบบพันธุกรรมหรือจาก DNA นักนาโนเทคโนโลยีจึงมองว่าหากเราต้องการสร้างจักรกลนาโนฝีมือมนุษย์ขึ้นมา ก็ควรที่จะต้องมีระบบควบคุมที่คล้ายๆ กัน DNA จึงได้รับความสนใจมากเช่นกัน ระบบสารสนเทศที่นาโนเทคโนโลยีอาจจะสร้างขึ้นได้ในภายหน้านี้ รู้จักกันในนามของ นาโนคอมพิวเตอร์ (Nanocomputer) โดยตัวนาโนคอมพิวเตอร์นี้จะเป็นส่วนสมองของจักรกลนาโนที่เราสร้างขึ้น คอยควบคุมการทำงานของจักรกลนาโน

พัฒนาการของนาโนเทคโนโลยีในปัจจุบัน
นาโนเทคโนโลยีในปัจจุบันยังอยู่ในขั้นเริ่มต้นเท่านั้น แต่ก็เป็นที่น่าดีใจที่ประเทศพัฒนาแล้วส่วนใหญ่ รวมทั้งประเทศอุตสาหกรรมใหม่อย่างไต้หวัน และเกาหลีใต้ได้ให้ความสำคัญต่อเทคโนโลยีนี้มาก จึงทำให้สาขานี้ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ความก้าวหน้าของนาโนเทคโนโลยีในปัจจุบันพอจะสรุปออกเป็นสาขาย่อย ได้ดังต่อไปนี้

1) Supramolecular Chemistry และ Self Assembly
เป็นศาสตร์แห่งการแสวงหาความเข้าใจในปรากฏการณ์ที่โมเลกุลต่างๆ มายึดเกาะกันเกิดเป็นซูปราโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่ รวมทั้งการคิดค้นและพัฒนากระบวนการในการสังเคราะห์ซูปราโมเลกุลอย่างมีประสิทธิภาพ การเกาะกลุ่มกันของโมเลกุลจนเกิดเป็นซูปราโมเลกุลนี้มิได้ใช้พันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรง หากแต่เป็นแรงระหว่างโมเลกุล (Intermolecular Interactions) ที่มีปริมาณความแข็งแรงน้อยกว่ามาก ผลของการมายึดเกาะกันด้วยทิศทางและระยะทางที่แน่นอนนี้เอง ทำให้ซูปราโมเลกุลที่ได้ มีความเฉพาะตัว และทำหน้าที่อย่างเฉพาะเจาะจงได้ นักวิทยาศาสตร์ในสาขานี้มีส่วนช่วยในการพัฒนาจักรกลนาโนได้อย่างมาก เพราะความรู้เกี่ยวกับแรงระหว่างโมเลกุลที่เฉพาะเจาะจง จะนำมาสู่ความเข้าใจของกระบวนการประกอบได้เอง (Self Assembly) นอกจากนั้นแล้วเขายังจะช่วยทำให้เข้าใจความเกี่ยวข้องระหว่างโครงสร้างของซูปราโมเลกุลว่ามีความเกี่ยวข้องกับหน้าที่การทำงานของมันได้อย่างไร (Structure-Function Relationship) อันจะนำไปสู่การออกแบบจักรกลนาโนที่ทำหน้าที่ได้เฉพาะเจาะจง

ตัวอย่างความสามารถในปัจจุบันของศาสตร์สาขานี้ที่เกี่ยวข้องกับนาโนเทคโนโลยีก็ได้แก่ ความเข้าใจในกระบวนการจดจำกันเอง (Molecular Recognition) ของโมเลกุลที่มีช่องว่างภายในขนาดใหญ่ (Macrocyclic Molecules) กับไอออนโลหะ หรือ โมเลกุลขนาดเล็กอื่นๆ ตลอดจนการปรับปรุงกระบวนการสังเคราะห์อย่างมีประสิทธิภาพ การพัฒนาตัวเร่งปฏิกริยาแบบซูปราโมเลกุล นอกจากนั้นยังมีการพัฒนาโมเลกุลที่มีสมบัติในการเป็นอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ เช่น สายไฟระดับโมเลกุล (Molecular Wires) เรคติไฟเออร์โมเลกุล (Molecular Rectifiers) สวิตซ์และเซนเซอร์ เป็นต้น

2 )เครื่องมือจัดการกับอะตอม เช่น STM (Scanning Tunnelling Microscope) AFM (Atomic Force Microscope) SPM (Scanning Probe Microscope)
นับตั้งแต่มีการสร้าง STM เป็นครั้งแรกเมื่อปี ค. ศ. 1981 ก็ได้มีการผลิตเครื่องมือดังกล่าว และ เครื่องมือที่ใช้เทคนิคคล้ายๆ กันออกขายทั่วโลก ทำให้การพัฒนาเครื่องมือนี้เป็นไปอย่างรวดเร็ว เครื่องมือจัดการกับอะตอมในปัจจุบันนั้นควบคุมและใช้งานง่ายขึ้นมาก อีกทั้งยังทำงานเร็วขึ้นอีกด้วย นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาให้สามารถจัดการกับพื้นผิวที่มีความซับซ้อนมากขึ้น เช่น ชีวโมเลกุล จากเดิมที่มีความสามารถเพียงจัดการกับผิวของโลหะ หรือพวกอนินทรีย์เท่านั้น ต่อมาในช่วงหลังๆนี้ได้มีความพยายามที่จะพัฒนาหัวจับ (Tip) ให้มีความสามารถหลากหลายมากขึ้น ทั้งนี้เมื่อไม่นานมานี้ ห้องปฏิบัติการของ IBM ได้สาธิตการสร้างลูกคิดที่มีขนาดเล็กที่สุดในโลก โดยใช้โมเลกุลของคาร์บอน-60 เป็นตัวลูกคิด และใช้ STM ในการขยับตำแหน่งของตัวลูกคิด งานประยุกต์ของเครื่องมือจัดการอะตอมยังมีอีกมาก เช่น ใช้เป็นเครื่องมือวัดคุณสมบัติระดับจุลภาคของโมเลกุล เช่นการนำไฟฟ้าของโมเลกุล ใช้เป็นเครื่องมือในการส่งผ่านแรงเข้าไปในโมเลกุล เพื่อทำให้โมเลกุลมีรูปร่างที่เปลี่ยนไปเป็นผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสมบัติการนำไฟฟ้าของโมเลกุล งานประยุกต์ที่เป็นที่คาดหวังในอนาคตก็คือ การช่วยในการสังเคราะห์โมเลกุลที่ต้องการด้วยวิธีกล (Mechanosynthesis) โดยการนำเอาอะตอมมาจัดเรียงกันให้เกิดเป็นโมเลกุลโดยไม่ใช้วิธีทางเคมี

Nanoabacus (หรือ ลูกคิดนาโน เป็นลูกคิดที่มีขนาดเล็กที่สุดในโลก
ตัวลูกคิดทำจากโมเลกุลคาร์บอน-60) จากเครื่อง STM

3 )Fullerene Nanotechnology
นับตั้งแต่มีการค้นพบ Fullerene หรือ คาร์บอน-60 ในปี ค.ศ. 1985 นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถสังเคราะห์โมเลกุลที่มีลักษณะทรงกลมที่มีจำนวนของคาร์บอนต่างๆ กันออกมามากมาย จนกระทั่งปี ค.ศ. 1991 ก็สามารถสังเคราะห์สิ่งที่เรียกว่า ท่อนาโน (Nanotube) คือโมเลกุลที่ประกอบด้วยคาร์บอนก่อรูปกันขึ้นเป็นโครงสร้างที่มีลักษณะคล้ายท่อ อันนำมาซึ่งงานประยุกต์มากมาย เช่น สามารถนำมาทำเป็นสายนำไฟฟ้าหรือสวิตซ์ในอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ หรือ นำมาทำเป็นหัวจับ (Tip) ของเครื่อง STM เป็นต้น งานประยุกต์ในอนาคตของท่อนาโนนั้นอาจนำมาทำเป็น ส่วนที่ใช้ยึดโครงสร้างระดับนาโนเข้าด้วยกัน (คล้ายกับเสาและคานสำหรับตึก) เกียร์และมอเตอร์สำหรับเครื่องยนต์ระดับนาโน ความก้าวหน้าของศาสตร์สาขานี้จึงนับว่ามีความสำคัญต่อนาโนเทคโนโลยีเป็นอย่างมาก

Nanotube ที่มาต่อกันเป็นรูปตัว T เพื่อทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์สำหรับวงจรนาโนอิเล็กทรอนิกส์ สีเขียวแสดงส่วนของ tube ที่มีสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้า สีแดงคือส่วนที่มีสมบัติกึ่งตัวนำ การที่ Nanotube ซึ่งประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนมีสมบัติการนำไฟฟ้าต่างกัน ก็เนื่องมาจากขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ tube ต่างกันนั่นเอง ทำให้ความยากง่ายในการนำไฟฟ้าต่างกันด้วย (ภาพจาก Drs. Deepak Srivastava, NAS Nanotechnology Group and Madhu Menon, University of Kentucky, Lexington) รายละเอียดใน M. Menon and D. Srivastava, Phys. Rev. Lett. 79 (1997) 4453.

4) วิศวกรรมโปรตีน DNA และการศึกษาจักรกลเชิงโมเลกุลที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติ
จักรกลนาโนที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติอย่าง โปรตีน และ DNA เป็นตัวอย่างที่ดีที่จะทำให้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรนาโนออกแบบจักรกลนาโนฝีมือมนุษย์ต่อไป ดังนั้นหน้าที่ของศาสตร์สาขานี้คือ ต้องแสวงหาความเข้าใจในการทำงานของจักรกลนาโนที่มีในธรรมชาติให้ได้ จากนั้นก็สามารถนำความรู้ที่ได้ไปออกแบบจักรกลนาโนฝีมือมนุษย์ต่อไป หรือ มิฉะนั้นก็ทำการดัดแปลง โปรตีน หรือ DNA ที่มีอยู่ในธรรมชาติให้สามารถทำงานในสิ่งที่เราต้องการได้ ได้มีผู้ศึกษาที่จะนำเอา DNA ซึ่งในธรรมชาติจะอยู่เป็นคู่วนรอบกันคล้ายขั้นบันได มาต่อกันเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนขึ้นเช่น โครงสร้างแบบกิ่งก้าน โครงสร้างกล่องลูกบาศก์ หรือแม้แต่รูปแปดหน้า (Truncated Octahedron) โครงสร้างเหล่านี้สามารถนำไปประยุกต์เพื่อทำเครื่องจักรนาโน หรือ อาจเป็นโครงสร้างพื้นฐานให้สิ่งก่อสร้างระดับนาโนได้

แบบจำลองของโมเลกุล DNA ที่นำมาต่อกันจนกลายเป็นลูกบาศก์ ทั้งนี้เพื่อแสดงให้เห็นว่า DNA สามารถนำมาทำเป็น building block หรือ โครงสร้างพื้นฐานของสิ่งก่อสร้างในระดับนาโนเมตรได้

5 ) นาโนเทคโนโลยีเชิงคำนวณเพื่อการออกแบบจักรกลนาโน
นาโนเทคโนโลยีเชิงคำนวณมีความสำคัญต่อการพัฒนานาโนเทคโนโลยี ทั้งนี้เพราะจักรกลนาโนที่มนุษย์สร้างขึ้นต้องสามารถควบคุมได้ การออกแบบจึงต้องกระทำด้วยความพิถีพิถัน นาโนเทคโนโลยีเชิงคำนวณจะเป็นเครื่องมือในการทำความเข้าใจธรรมชาติระดับอะตอม เพื่อที่เราจะสามารถจะถ่ายทอดความต้องการของเราไปยังจักรกลนาโนได้ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรนาโนจึงถือว่า นาโนเทคโนโลยีเชิงคำนวณเป็นเทคโนโลยีที่จำเป็นต่อการก่อกำเนิด (Enabling Technology) ของนาโนเทคโนโลยี ถ้าไม่มีนาโนเทคโนโลยีเชิงคำนวณ ก็ไม่สามารถจะพัฒนานาโนเทคโนโลยีแบบเต็มรูปขึ้นมาได้ นาโนเทคโนโลยีเชิงคำนวณจึงเป็นศาสตร์ที่ได้รับความสนใจอย่างมากในขณะนี้ ซึ่งล่าสุดในปี ค.ศ. 1998 โคห์นและโพเพิล ก็ได้กลายเป็นนักนาโนเทคโนโลยีเชิงคำนวณ 2 คนแรกที่ได้รับรางวัลโนเบล เป็นประจักษ์พยานได้อย่างดีว่ากระบวนการในการออกแบบจักรกลเชิงโมเลกุลได้รับการยอมรับถึงความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง เรื่องของนาโนเทคโนโลยีเชิงคำนวณนั้น ผู้เขียนจะได้กล่าวถึงรายละเอียดในตอนต่อๆ ไป

ท่อนาโน (Nanotube) อาจจะดัดแปลงนำมาใช้เป็นเกียร์และแบริ่ง สำหรับส่งกำลังในทางวิศวกรรมเครื่องกลระดับโมเลกุล

นาโนเทคโนโลยีกับรางวัลโนเบล
นับตั้งแต่ศาสตราจารย์ฟายน์แมนได้เปิดความคิดเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของนาโนเทคโนโลยีเมื่อ 39 ปีก่อน นาโนเทคโนโลยีก็ได้พัฒนาตัวเองอย่างเงียบๆ มาโดยตลอด ช่วงเวลา 26 ปีแรกนั้นมีเพียงบุคคล 2 ท่านเท่านั้นที่สมควรถือว่าเป็นนักนาโนเทคโนโลยีโนเบล ได้แก่ฟาย์แมน และ มูลลิเกน ซึ่งทั้งสองท่านได้รับรางวัลโนเบลในปีเดียวกัน แต่คนละสาขา นาโนเทคโนโลยีเพิ่งจะได้ประกาศตัวอย่างเปิดเผย เมื่อมีการคิดค้นเครื่องมือจัดการอะตอมอย่าง STM ในปี ค.ศ. 1982 ซึ่งทำให้ผู้คิดค้นได้รับรางวัลโนเบลอีก 4 ปีต่อมา ในช่วงเวลา 13 ปีหลังนี้เองได้สร้างนักนาโนเทคโนโลยีโนเบลไว้เพิ่มอีกถึง 17 ท่าน และเพียงช่วงเวลา 3 ปีล่าสุดนี้ เรามีนักนาโนเทคโนโลยีโนเบลถึง 8 คน เหตุการณ์เช่นนี้เป็นที่ปรากฎชัดแล้วว่า นาโนเทคโนโลยีกำลังเป็นที่สนใจและทวีความสำคัญยิ่งขึ้นต่อสังคมวิทยาศาสตร์และสังคมโลก ตารางที่ 2 ได้แสดงรายชื่อผู้ได้รับรางวัลโนเบลกับผลงานของท่านที่มีคุณูปการต่อนาโนเทคโนโลยี

บทสรุป
นาโนเทคโนโลยีเป็นเทคโนโลยีในการประกอบและผลิตสิ่งต่างๆ ขึ้นมาจากการจัดเรียงอะตอมหรือโมเลกุลเข้าด้วยกันด้วยความแม่นยำและถูกต้องในระดับนาโนเมตร ความรู้ทางกลศาสตร์ควอนตัมมิได้ปฏิเสธความเป็นไปได้ของเทคโนโลยีนี้ ทั้งยังกลับเป็นประโยชน์ในการช่วยพัฒนาเทคโนโลยีนี้ให้เกิดขึ้นอีกด้วย คำถามที่ว่าเทคโนโลยีจะเกิดขึ้นหรือไม่จึงมีคำตอบแล้วว่าต้องเกิดขึ้นอย่างแน่นอน หากแต่เมื่อไหร่เท่านั้น รูปแบบของนาโนเทคโนโลยีที่จะเกิดขึ้นในอนาคตเป็นสิ่งที่ยากจะทำนาย เนื่องจากความที่เทคโนโลยีมีลักษณะของการพัฒนาคล้ายพัฒนาการของสิ่งมีชีวิตคือมี Evolution อย่างไรก็ตามเราอาจจะยึดแนวทางของนาโนเทคโนโลยีที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติ เป็นตัวนำทางเพื่อนำไปสู่นาโนเทคโนโลยีฝีมือมนุษย์ที่มีประสิทธิภาพเพื่อสนองความต้องการของเรา คือ ความกินดีอยู่ดี ในท้ายที่สุด

นาโนเทคโนโลยี

(ดร. ธีรเกียรติ์ เกิดเจริญ)