นักวิทยาศาสตร์รู้แล้วใช้แรงแค่ไหนทำ 1 อะตอมเคลื่อนที่

นิวยอร์กไทม์ - นักวิจัย "ไอบีเอ็ม" เผยผลักอะตอมโคบอลต์ให้เคลื่อนที่บนพื้นผิวทองแดงได้ด้วยแรงน้อยกว่าน้ำหนัก "ออนซ์" 1.6 พันล้านเท่า ขณะที่ผลักไปบนผิวแพลทตินัมต้องใช้แรงเท่ากับ 1 ใน 130 ล้านส่วน การค้นพบดังกล่าวช่วยให้เข้าใจถึงแรงที่น้อยที่สุดในการเคลื่อนอะตอม นับเป็นความพยายามอย่างต่อเนื่องหลังสร้างความฮือฮาด้วยการจัดเรียงอะตอมเป็นอักษร IBM เมื่อเกือบ 20 ปีที่ผ่านมา

นักวิจัยไอบีเอ็ม (IBM) รายงานการค้นพบดังกล่าวผ่านวารสาร "ไซน์" (Science) ทั้งนี้ทีมวิจัยได้วัดค่าแรงที่ใช้ถองอะตอมหนึ่งๆ ให้เคลื่อนที่ โดยในการผลักอะตอมโคบอลต์ให้เคลื่อนที่ไปบนผิวโลหะแพลทตินัมที่เรียบลื่นนั้นใช้แรงน้อยกว่าน้ำหนัก 1 ออนซ์ (ounce) ซึ่งมีค่าประมาณ 28 กรัมอยู่ 130 ล้านเท่า ขณะที่ใช้แรงผลักอะตอมชนิดเดียวกันบนผิวโลหะทองแดงด้วยแรงเพียง 1 ใน 1.6 พันล้านส่วนของน้ำหนักออนซ์

ทั้งนี้เมื่อปี 2532 โดนัลด์ เอ็ม ไอเกลอร์ (Donald M Eigler) นักวิทยาศาสตร์ของไอบีเอ็มจากศูนย์วิจัยอัลมาเดน (Almaden Reseach Center) ในซานโฮเซ (San Jose) แคลิฟอร์เนีย สหรัฐฯ ได้ใช้ซีนอน 25 อะตอมจัดเรียงเป็นอักษร "IBM" และนับแต่นั้นนักวิจัยของไอบีเอ็มก็ได้พยายามอย่างต่อเนื่องที่จะค้นหาว่าพวกจะสร้างโครงสร้างและชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ด้วยอะตอมเดี่ยวๆ ได้อย่างไร

การได้รู้ถึงแรงที่จำเป็นต้องใช้เคลื่อนอะตอมอย่างแม่นยำนั้น ดร.อันเดรียส เจ ไฮน์ริช (Andreas J Heinrich) นักฟิสิกส์แห่งอัลมาเดนกล่าวว่า ช่วยให้พวกเขาเข้าใจว่าอะไรที่เป็นไปได้และอะไรที่เป็นไปไม่ได้ นับเป็นอีกก้าวของพวกเขาแต่ยังไม่ใช่ปลายทางของงานวิจัย

ในการทดลองนั้น ดร.ไฮน์ริชและคณะที่อัลมาเดนและมหาวิทยาลัยเรเกนสเบิร์ก (University of Regensburg) ในเยอรมนีได้ใช้ปลายเข็มของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมเอเอฟเอ็ม (AFM: atomic force microscope) เพื่อผลักอะตอมเดี่ยว และในการวัดแรงที่ใช้ในการผลักปลายเข็มต้องเชื่อมต่อกับส้อมเสียงซึ่งเป็นชนิดเดียวกับที่พบในนาฬิกาข้อมือที่ใช้แร่ควอตซ์ (Quartz)

อันที่จริงแล้วต้นแบบแรกของเครื่องวัดแรงเคลื่อนอะตอมนั้น ฟรานซ์ เจ กีสซีเบิล (Franz J Giessibl) นักวิทยาศาสตร์จากเรเกนสเบิร์กซึ่งเป็นผู้บุกเบิกในการใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมได้นำควอตซ์ออกมาจากนาฬิการาคาถูกเพื่อใช้สำหรับการทดลอง

เข็มควอตซ์สั่น 20,000 ครั้งใน 1 วินาทีจนกระทั่งสัมผัสกับอะตอม เมื่อเข็มควอตซ์ผลักอะตอมส้อมเสียงก็เลี้ยวเบนเหมือนกระดานโต้คลื่นแล้วความถี่ของการสั่นของเข็มก็ลดลง

ทั้งนี้อะตอมไม่ได้กลิ้งไปบนพื้นที่ดูเหมือนว่าจะเรียบลื่น แต่แท้จริงพื้นผิวดังกล่าวขรุขระ ทำให้อะตอมพักอยู่ตามร่องขรุขระในโครงตาข่าย คล้ายกับไข่ที่อยู่ในลังบรรจุไข่

ส่วนแรงต้านทานในระดับอะตอมเดี่ยวนี้คือแรงที่ใช้จัดเรียงพันธะระหว่างอะตอมของโคบอลต์กับพื้นผิวที่ใช้จัดเรียงอะตอม แต่เมื่อมีอะตอมนับพันล้านก็กลายเป็นแรงเสียดสี และเมื่อปลายเข็มมีแรงผลักมากพออะตอมเดี่ยวจะกระโดดในระยะสั้นๆ ไปยังรอยขรุขระที่อยู่ถัดไปเกือบในทันที

จากการเปลี่ยนแปลงความถี่ในการสั่นของส้อมเสียงทีมวิจัยสามารถคำนวณแรงที่ปลายเข็มส่งให้กับอะตอมของโคบอลต์ได้ ทั้งนี้ทองแดงมีความเหนียวน้อยกว่าแพลทตินัมเนื่องจากความแตกต่างระหว่างพันธะที่อยู่ชั้นล่าง จึงทำให้ง่ายที่จะผลักอะตอมให้เคลื่อนไปบนพื้นผิว