อาจารย์ มช. ศึกษาโครงสร้างวัสดุนาโนระดับอะตอมพัฒนาอุตสาหกรรมเซนเซอร์สารพัดประโยชน์

อาจารย์ มช.ศึกษาโครงสร้างวัสดุนาโนระดับอะตอม ต่อยอดวัสดุโลหะออกไซด์ด้วยนาโนเทคโนโลยี มุ่งผลิตเซนเซอร์ตรวจจับก๊าซหลากชนิด เตรียมประยุกต์เป็นอุปกรณ์ตรวจจับก๊าซรั่วไหลในโรงงานอุตสาหกรรม เครื่องมือตรวจเอทานอลในคนเมาแล้วขับ และอุปกรณ์วินิจฉัยโรคเบาหวาน-มะเร็งปอด-วัณโรคด้วยลมหายใจ

“จะดีแค่ไหนถ้าเรามีเซนเซอร์คุณภาพสูงที่สามารถเตือนภัย และบอกข้อมูลเกี่ยวกับตัวเราได้โดยไม่ต้องเจ็บตัว” เป็นที่มาของการวิจัยทางด้านวัสดุศาสตร์บนฐานวัสดุโครงสร้างนาโน ที่ผลักดันให้ ผศ.ดร. ชัยกานต์ เลียวหิรัญ อาจารย์หนุ่ม ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ได้รับรางวัล TRF-CHE-Scopus Researcher Awards ประจำปี 2554 จากสำนักงานสนับสนุนกองทุนวิจัย (สกว.) และสํานักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา (สกอ.)

ผศ.ดร. ชัยกานต์ กล่าวว่า งานวิจัยของเขาเป็นการศึกษาโครงสร้างของวัสดุโลหะออกไซด์ในระดับโครงสร้างอะตอม ซึ่งเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุ และยังได้คิดค้นวัสดุนาโนโลหะออกไซต์ใหม่หลายชนิด ทั้งในส่วนของการสังเคราะห์ การวิเคราะห์คุณสมบัติของวัสดุทางด้านนาโน รวมถึงการพัฒนาในรูปแบบเชิงโครงสร้าง เพื่อนำข้อดีของวัสดุที่ทำการวิจัยและปรับปรุงโครงสร้าง เพื่อนำข้อดีของวัสดุที่ทำการวิจัยและปรับปรุงโครงสร้างไปประยุกต์ใช้เป็นส่วนประกอบหลัก สำหรับเครื่องตรวจจับก๊าซหลายประเภทจากองค์ความรู้ที่ได้ในการศึกษากลไกการทำงานและคุณสมบัติการตรวจจับแก๊สหลายรูปแบบในการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเชิงไฟฟ้าโดยตรง

วัสดุนาโนโลหะออกไซด์ที่ผศ.ดร.ชัยกานต์พัฒนาขึ้น มีคุณสมบัติสามารถตรวจจับก๊าซและตอบสนองได้ต่ำสุดถึงอุณหภูมิห้องได้อย่างฉับไว สามารถนำมาพัฒนาต่อยอดเป็นเครื่องมือเซนเซอร์ตรวจจับก๊าซได้หลากหลายชนิด ทำให้การนำไปใช้งานสามารถประยุกต์ได้หลายรูปแบบ. ซึ่งผลงานที่กำลังจะสำเร็จขึ้นในอีกไม่ช้าเหล่านี้ ล้วนเกิดขึ้นจากการวิจัยแบบพื้นฐาน ที่นักวิจัยรุ่นใหม่อาจมองข้าม เพราะคิดว่าเป็นสิ่งพื้นฐาน ที่ไม่สามารถต่อยอดหรือขอทุนวิจัยได้ แต่วันนี้เขาพิสูจน์ให้เห็นแล้วว่าไม่ใช่

“โลหะออกไซด์ คือ กลุ่มธาตุที่มีอะตอมของโลหะที่มีการเชื่อมพันธะด้วยอะตอมของออกซิเจน สามารถเป็นสารกึ่งตัวนำได้ มักนิยมนำมาใช้ในการผลิตเป็นอุปกรณ์ทางไฟฟ้า โดยตัวผมเองมีความสนใจในส่วนของการศึกษาปฏิกริยาเคมีบนพื้นผิวของวัสดุกับก๊าซแวดล้อมรอบข้างเป็นพิเศษ เนื่องจากเมื่อโลหะออกไซต์เมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้น โครงผลึกภายในของออกซิเจนจะเกิดช่องว่าง และเมื่อก๊าซออกซิเจนในอากาศเข้ามายึดติดกับช่องว่างของออกซิเจน โดยการดึงอิเล็กตรอนจากบริเวณพื้นผิวของโลหะออกไซต์แล้วแตกตัวเป็น "กลุ่มของไอออนลบ" จากนั้นไออนลบจะเข้ามายึดติดที่ผิวหน้าของโลหะออกไซด์ ในบริเวณที่มีการว่างออกซิเจน การดึงอิเล็กตรอนออกไปในกรณีนี้จะทำให้เกิดบริเวณการพร่องของประจุขึ้นบนผิวของสารประกอบโลหะออกไซด์ ซึ่งจะเกิดการขวางกั้นการนำไฟฟ้า แต่เมื่อมีแก๊สวิเคราะห์เข้ามาสัมผัสบริเวณพื้นผิวของโลหะออกไซด์แก๊สจะแทรกซึมเข้าไปรวมตัวกับออกซิเจนไอออน ที่ยึดติดอยู่ที่บนพื้นผิวของโลหะออกไซด์เกิดเป็นแก๊สชนิดใหม่ แล้วคายอิเล็กตรอนอิสระออกมาให้กับพื้นผิวของโลหะออกไซด์ ทำให้มีสภาพการนำไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้โดยที่กระบวนการดังกล่าวนี้ เป็นเพียงส่วนหนึ่งของการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีซึ่งจะขึ้นกับชนิดของแก๊สวิเคราะห์เป็นหลักอีกด้วย ดังนั้นอุณหภูมิ จึงมีความสำคัญสำหรับการพัฒนารูปแบบการวิเคราะห์ระบบการตรวจจับแก๊สอย่างมาก ผมจึงมีแนวความคิดในการนำวัสดุโลหะออกไซด์บริสุทธิ์ และ ยังมีการพัฒนาวัสดุเหล่านี้ด้วยการเจือด้วยโลหะ ตัวเร่งปฏิกิริยาหลายชนิด เพื่อพัฒนาคุณสมบัติในการประยุกต์เป็นเซนเซอร์ตรวจวัดก๊าซในหลายๆ ลักษณะจากความรู้พื้นฐานที่มีประกอบกับการวิจัยเชิงลึกของโลหะออกไซด์หลายๆ ตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ” ผศ.ดร.ชัยกานต์ อธิบายแก่ทีมข่าววิทยาศาสตร์ ASTV-ผู้จัดการออนไลน์

เจ้าของงานวิจัยอธิบายว่า ภายในห้องปฏิบัติการจะมีถังทดสอบที่ถูกเชื่อมต่อกับเครื่องมือที่มีการควบคุมการไหลของก๊าซเพื่อทดสอบกับตัววัสดุที่พัฒนาขึ้นหลายระดับ ทำการทดสอบที่ระดับอุณหภูมิต่างกันเพราะที่ระดับอุณหภูมิต่างๆ การแตกตัวของก๊าซออกซิเจนก็ย่อมก็แตกต่างกันโดยเขาจะพัฒนาวัสดุโลหะออกไซด์ให้สามารถตอบสนองต่อก๊าซได้อย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิห้องภายในเวลาไม่เกิน 3 วินาทีเพื่อให้ตอบโจทย์กับการใช้งานในชีวิตประจำวันมากที่สุดโดยการพัฒนาสร้างระบบการทดสอบแก๊สนี้ ได้ความร่วมมืออันดีระหว่างคณะวิทยาศาสตร์ มช.และ นักวิจัยที่มีความเชี่ยวชาญอย่างสูงทางด้านเซนเซอร์จากศูนย์เทคโนโลยีอิเลิกทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (NECTEC) สังกัด สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ประเทศไทย

วัสดุนาโนที่เหมาะสมเฉพาะด้าน ได้นำไปใช้ประดิษฐ์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตรวจจับก๊าซที่สามารถนำไปใช้เป็นต้นแบบผลิตภัณฑ์ประยุกต์หลายชนิด โดย ผศ.ดร.ชัยกานต์ ระบุว่าตอนนี้มีการนำไปใช้ 3 ด้านด้วยกัน ด้านแรกคือการผลิตจมูกอิเล็กทรอนิกส์ที่มีผลทางกฏหมาย สำหรับคนเมาแล้วขับ เพื่อตรวจวัดปริมาณความร้อน และปริมาณเอทานอลที่อยู่ในกระแสเลือด ที่แม้จะมีปริมาณเพียงน้อยนิดก็สามารถตรวจสอบได้

"จุดนี้อาจมีการพัฒนาเครื่องตรวจจับปริมาณแอลกอฮอล์ที่ตำรวจใช้ในปัจจุบัน ซึ่งเซนเซอร์ที่ผมกำลังพัฒนาขึ้นนี้มุ่งเน้นถึงการตรวจวัดเมื่อคนดื่มแอลกอฮอล์เข้าไปในร่างกาย ซึ่งเอทานอลจัดได้ว่า เป็นกลุ่มสารประกอบอินทรีย์ระเหยได้ซึ่งเมื่อรับเข้าไปในร่างกายจะก่อให้เกิดความร้อนปะปนในกระแสเลือด และสามารถระเหยออกมาเป็นก๊าซที่อยู่ในรูปของลมหายใจ" อ. มช. ระบุ

จมูกอิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ที่สามารถวัดอัตราเสี่ยงการเกิดโรคผ่านการวิเคราะห์ลมหายใจมนุษย์ เช่น โรคเบาหวานโรคมะเร็งปอด และ วัณโรค จากการเปรียบเทียบปริมาณที่ออกมาจากลมหายใจในปริมาณหนึ่งในพันล้านส่วนเปรียบเทียบกันระหว่างคนปกติและคนที่มีโอกาสเสี่ยงหรือเป็นโรคดังกล่าวในระดับต่างๆ โดยเฉพาะในกลุ่มผู้ป่วยเบาหวานจะมีการปลดปล่อยลมหายใจด้วยแก๊สที่มีสารประกอบคล้ายคลึงกลุ่มอะซิโตน ในกลุ่มวัณโรค หรือ มะเร็งปอด ก็อาจมีการไหลปะปนของแก๊สที่มีสารประกอบคล้ายคลึงกลุ่มไนตริกออกไซด์ ปะปนออกมาจากลมหายใจได้ ซึ่งขณะนี้ห้องปฏิบัติของเขามีแก็สทดสอบหลายชนิดที่เกี่ยวข้องกับงานวิจัยเฉพาะทางโดยตรงอีกทั้งยังมีการริเริ่มศึกษาการนำไปใช้ในกลุ่มผู้ป่วยจริงที่ได้ทำการรวบรวมข้อมูลผู้ป่วยในเบื้องต้นจึงไม่น่าเป็นปัญหาสำหรับการพัฒนาวัสดุเพื่อสร้างเป็นเซนเซอร์ตรวจวัดในผู้ป่วยโรคเบาหวานต่อไปในอนาคตคาดว่าจะสามารถนำไปใช้ได้แม้จะไม่ทั้งหมดแต่ก็เป็นการลดภาระของแพทย์พยาบาล อีกทั้งยังสามารถลดความเจ็บปวดของผู้ป่วยสามารถให้ผลที่ถูกต้องแม่นยำได้ในเวลาที่รวดเร็ว

สุดท้ายคือเซนเซอร์ตรวจจับก๊าซรั่วไหลภายในโรงงานอุตสาหกรรมที่ในขณะนี้พัฒนาไปมากที่สุดมีการเจรจากับผู้ประกอบการพร้อมต่อยอดสู่เชิงพาณิชย์ ด้วยจุดเด่นหลายประการของโลหะออกไซด์และการพัฒนาระบบการเจือด้วยโลหะ หรือ ตัวเร่งปฏิกิริยาชั้นดี จึงมีความเหมาะสมต่อการนำไปประยุกต์ใช้ทางด้านเซนเซอร์ทั้งนี้ผลงานวิจัยเรื่องเซนเซอร์ตรวจจับแก๊สสภาวะแวดล้อมบนพื้นฐานของวัสดุโครงสร้างนาโนชนิดใหม่ที่สร้างด้วยกระบวนการผสมผสานทางฟิสิกส์และเคมียังได้รับการตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติและระดับชาติจำนวนมาก ตลอดระยะเวลา 5 ปีและมีค่าดัชนีกระทบ (Impact factor) สูงที่สุดในกลุ่มผู้วิจัยที่มีความสนใจเฉพาะทางด้านเซนเซอร์เคมีอีกด้วยซึ่งเป็นผลที่ทำให้ได้รับรางวัลในครั้งนี้







*******************************