วิทยุเล็กที่สุดในโลก ขนาดเท่าไวรัส!!

นักฟิสิกส์สหรัฐฯ ทำวิทยุเล็กที่สุดในโลก ขนาดเท่าไวรัส จาก "ท่อคาร์บอนนาโน" แท่งเดียวรวมทุกคุณสมบัติที่วิทยุพึ่งมี ทั้งรับคลื่น AM ขยายสัญญาณแล้วเปลี่ยนเป็นสัญญาณเสียงก่อนส่งออกลำโพง และประเดิมบรรเลงเพลง "ไลลา" ของอิริค แคลปตัน

อเล็กซ์ เซตเทิล (Alex Zettl) นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียในเบิร์กลีย์ (University of California, Berkeley) สหรัฐฯ และ เคนเนธ เจนเซน (Kenneth Jensen) ลูกศิษย์ในที่ปรึกษาระดับปริญญาตรี ได้ร่วมกับประดิษฐ์วิทยุนาโนจากท่อคาร์บอนนาโน ซึ่งสามารถรับคลื่นเอเอ็ม (AM) และถ่ายทอดสัญญาณเพลง "ไลลา" (Layla) ของอีริค แคลปตัน (Eric Clapton) เป็นเพลงแรกตั้งแต่ปี 2550 โดยสามารถทดลองฟังได้ที่ www.sciam.com/nanoradio

แต่ทีมวิจัยไม่เปิดเผยผลงานอยู่นาน จนกระทั่งได้รับการตีพิมพ์ลงวารสารนาโนเลทเทอร์ส (Nano letters) ซึ่งเป็นวารสารวิชาการของสมาคมอเมริกันเคมิคัล (American Chemical Society)

ไซแอนทิฟิกอเมริกันนำเรื่องนี้มามาขยายความ ในบทความฉบับเดือน มี.ค.52 นี้ว่า เซตเทิลและเจนเซนได้ใช้ท่อคาร์บอนนาโนเพียงท่อเดียว ทำหน้าที่รับสัญญาณถ่ายทอดเสียงวิทยุ แล้วขยายสัญญาณ จากนั้นเปลี่ยนเป็นสัญญาณเสียง ก่อนที่จะส่งสัญญาณไปยังลำโพงในรูปเสียง ที่หูมนุษย์สามารถจำแนกได้

ทีมพัฒนายังให้ความเห็นว่า วิทยุจากท่อคาร์บอนนาโนนี้ จะเป็นรากฐานในปฏิวัติการประยุกต์ในด้านต่างๆ ทั้งอุปกรณ์ช่วยฟัง โทรศัพท์มือถือ และเครื่องเล่นไอพอด (iPod) อีกทั้งยังมีขนาดเล็กพอที่จะใส่ในช่องหูได้ด้วย

ทั้งนี้ วิทยุเกิดขึ้นจากแนวคิดที่ต้องการผลิตเซนเซอร์ตรวจสอบสภาพแวดล้อม โดยพัฒนาเป็นอุปกรณ์เพื่อนำไปติดตั้งตามโรงงานต่างๆ แล้วส่งรายงานผลตรวจสภาพอากาศในรูปแบบคลื่นวิทยุไปยังจุดที่เลือกรับข้อมูล

เป็นไปได้ว่า อนาคตใครก็ได้เพียงแค่เปิด "กูเกิล" (Google) แล้วเลือกดูข้อมูลสภาพอากาศของเมืองได้ตามเวลาจริง แต่ระหว่างพัฒนาเซนเซอร์ดังกล่าว เจนเซนได้พบว่าท่อคาร์บอนนาโนมีการสั่นที่ความถี่ต่างๆ ซึ่งเซตเทิลเองก็สังเกตเห็นว่าบางความถี่นั้นตรงกับความถี่วิทยุที่ใช้ในเชิงพาณิชย์

เซตเทิลทราบว่า วิทยุพื้นฐานนั้นมีหัวใจสำคัญอยู่ 4 ส่วน ได้แก่ เสาอากาศที่รับสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้า อุปกรณ์จูนคลื่นสำหรับเลือกความถี่ตามต้องการ เครื่องขยายสัญญาณสัญญาณซึ่งรวมถึงอุปกรณ์ที่ปรับให้สัญญาณคมชัด และอุปกรณ์ในส่วนที่แยกสัญญาณจากคลื่นพาหะที่ส่งมา จากนั้นข้อมูลจะถูกส่งไปยังลำโพงที่เปลี่ยนสัญญาณให้เป็นเสียงที่สามารถรับฟังได้

ท่อคาร์บอนนาโนซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของวิทยุจิ๋วนั้น มีคุณสมบัติเชิงเคมี เรขาคณิตและไฟฟ้าที่ผสมกันอย่างลงตัว ดังนั้นเมื่อว่างไว้ระหว่างขั้วไฟฟ้าก็สามารถให้คุณสมบัติสำคัญทั้ง 4 ของวิทยุได้ด้วยท่อคาร์บอนนาโนอย่างเดียว โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์อื่นเสริม

เวทเทิลกับเจนเซนได้เลือกใช้ท่อคาร์บอนนาโนที่มีผนังหลายชั้น (multiwalled tube) เนื่องจากง่ายต่อต่อการวางไว้บนขั้วไฟฟ้า แม้ภายหลังพวกเขาจะได้พัฒนาวิทยุจิ๋วอีกรุ่นที่เป็นคาร์บอนนาโนพนังเดียวก็ตาม โดยคาร์บอนที่ใช้มีความยาว 50 นาโนเมตร และเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 นาโนเมตร ซึ่งเป็นขนาดพอๆ กับไวรัสเลยทีเดียว

แนวคิดการทำงานของวิทยุจากท่อคาร์บอนนาโนนี้คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากเครื่องส่งสัญญาณวิทยุเข้ามากระทบกับท่อนาโน ทำให้เกิดการสั่นอย่างมีท่วงทำนองที่เข้าได้กับการสั่นของสันแม่เหล็กไฟฟ้า การสั่นที่เกิดขึ้นพร้อมๆ กันทำให้ท่อคาร์บอนนาโนประพฤติตัวเหมือนเป็นเสาอากาศ แต่ก็มีวิธีที่ต่างไปจากวิทยุแบบเดิมๆ

เครื่องวิทยุทั่วไปมีเสาอากาศรับสัญญาณในรูปไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าคลื่นที่เข้ามานั้นได้เหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าในเสาอากาศและเสาอากาศก็ยังคงหยุดนิ่ง หากแต่สำหรับวิทยุนาโนแล้ว ท่อนาโนจะเป็นทรงกระบอกและมีประจุหน่อยๆ

ดังนั้นเมื่อมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเข้ามาก็จะผลักให้ท่อคาร์บอนกลับไปกลับมาหน้า-หลัง และเพื่อดูว่าเกิดอะไรขึ้นระหว่างวิทยุจิ๋วส่งสัญญาณนั้น พวกเขาได้ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (transmission electron microscope: TEM) ซึ่งมีความละเอียดสูงส่องดูพฤติกรรมของท่อคาร์บอนนาโน

"มันมหัศจรรย์มากเลย ผมหมายความว่ามันน่าประทับใจมาก เราสามารถส่องดูท่อนาโน และเห็นข้อเท็จจริงที่ว่า คุณกำลังดูโครงสร้างระดับโมเลกุลนี้สั่น และได้ยินเสียงของมันไปพร้อมๆ กัน มันเป็นอะไรที่เจ๋ง ผมไม่เคยคิดว่าก่อนเลยว่าจะได้มองเห็นการทำงานของวิทยุอย่างนี้" เซตเทิลกล่าว.