ทุกๆ ปีเราได้ข่าวเด็กไทยคว้าเหรียญรางวัลจากการแข่งขันโอลิมปิกวิชาการมากมาย แต่หลังจากนั้นพวกเขาหายไปไหน? คงเป็นคำถามในใจของหลายคน “ดร.พงศกร กาญจนบุษย์” คือหนึ่งในตัวแทนของนักเรียนฟิสิกส์โอลิมปิกที่จะบอกให้เรารู้ว่า พวกเขาไม่ได้หายไปไหน แต่กำลังสร้างสรรผลงานที่เป็นประโยชน์ต่อวงการวิทยาศาสตร์ไทย
ดร.พงศกร กาญจนบุษย์ เป็นอาจารย์ประจำหลักสูตรวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ซึ่งเพิ่งได้รับรางวัลวิทยานิพนธ์ ประจำปี ๒๕๖๐ ระดับดี จากสำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ (วช.) โดยวิทยานิพนธ์ที่นำมาสู่รางวัลนี้คือวิทยานิพนธ์เรื่อง "การประกอบด้วยตัวเองและกลศาสตร์ระดับนาโน จากฟิล์มบางอิสระของอนุภาคนาโน"
ก่อนเป็นอาจารย์ ดร.พงศกร ยังมีเกียรติประวัติด้านการเรียนที่น่ายกย่องอีกมาก ทั้งเคยเป็นนักเรียนฟิสิกส์โอลิมปิกระดับเอเชีย และเมื่อเป็นนักศึกษาประดับปริญญาตรี สาขาวิชาฟิสิกส์และเศรษฐศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยวอชิงตัน เขาก็เป็นนักศึกษาเกียรตินิยมอันดับหนึ่ง และสามารถเข้าศึกษาที่มหาวิทยาลัยชิคาโก (The University of Chicago) สถาบันการศึกษาที่เก่าแก่และมีชื่อเสียงอันดับที่ 9 ของโลก ในระดับปริญญาโท-เอกสาขาฟิสิกส์ โดยเน้นทางด้านนาโนเทคโนโลยีด้วยความสนใจงานวิจัยด้านวัสดุศาสตร์
ดร.พงศกรได้สังเคราะห์วัสดุในระดับนาโนที่มีคุณลักษณะเด่นต่างๆ ซึ่งเป็นงานวิจัยพื้นฐานที่สามารถนำมาประยุกต์ใช้ต่อได้ โดยได้ค้นพบเทคนิคใหม่ๆ ที่เป็นครั้งแรกของโลก จนได้รับการตีพิมพ์ผลงาน 2 ฉบับลงในวารสารนาโนเลตเตอร์ส (Nano Letters) ที่ได้รับการยอมรับค่อนข้างสูง
“การสร้างสิ่งต่างๆ ทำได้สองแบบ 1.เริ่มจากสิ่งที่ใหญ่ขึ้นมาเป็นสิ่งที่เล็ก ซึ่งกระบวนการในทางวิทยาศาสตร์เรียกว่าท็อปดาวน์ (Top Down) เช่น เรามีไม้ 1 แท่ง แล้วเรานำไม้ก้อนนั้นมาตัดให้เป็นแก้ว 2.กระบวนการบัตท่อมอัพ (Bottom Up) โดยเริ่มจากชิ้นส่วนเล็กๆ แล้วมาประกอบกันให้ใหญ่ขึ้น อย่างการนำเอาชิ้นส่วนเลโก้มาประกอบเป็นบ้าน เริ่มจากชิ้นเล็กก่อน” ดร.พงศกร
อย่างไรก็ตาม ดร.พงศกรกล่าวว่าการสร้างสิ่งของโดยเริ่มจากของใหญ่ไปเป็นของเล็ก กระบวนจะยากขึ้นเรื่อยๆ และราคาแพงขึ้นเรื่อยๆ เพราะว่าการตัดของเล็กมากๆ ไม่สามารถใช้คัตเตอร์ตัดได้ แต่ต้องต้องใช้เลเซอร์ หรือใช้กระบวนการพิมพ์ระดับนาโน (nanolithography) หรือใช้กระบวนการต่างๆ ที่มีราคาสูงเพื่องานขึ้นรูป
“งานวิจัย(ในวิทยานิพนธ์)นี้ เป็นการขึ้นรูปแบบใหม่โดยขึ้นรูปด้วยกระบวนการบัตท่อมอัพจากเล็กไปใหญ่ เหมือนเราต่อเลโก้ขนาดเล็ก แต่ว่าตัวเลโก้ของเราย่อส่วนลง จากขนาด 1 เซ็นติเมตรกลายเป็นขนาดนาโน หรือมีขนาดเล็กลงสิบล้านเท่า เราเรียกชิ้นส่วนเลโก้เหล่านี้ว่าอนุภาคนาโน (nanoparticles) หรือผลึกนาโน (nanocrystals)”
งานวิจัยดังกล่าว ดร.พงศกรได้เอาชิ้นส่วนที่เปรียบเสมือนเลโก้ มาประกอบเป็นฟิล์มบาง โดยตัวเลโก้นี้เสมือนว่าจะมีขนอยู่รอบๆ คล้ายลูกเงาะ เมื่อนำมาชนกัน จะสามารถเกาะกันเป็นโครงสร้างต่างๆ ได้ โดยเป็นฟิล์มที่บางมาก มีความหนาเพียงแค่ความหนาของ 1 ชั้นตัวต่อดังกล่าว หรือประมาณ 5-10 นาโนเมตร
“ฟิล์มบางที่ได้จะมีความเสถียรภาพและความไวสูงมาก สามารถนำมาใช้เป็นตัวเซ็นเซอร์ต่างๆ ได้ ข้อดีของการใช้ตัวเลโก้ขนาดเล็กนี้ คือเลโก้มีให้เลือกหลายแบบหลายทรง เราสามารถเปลี่ยนวัสดุที่ทำเป็นเลโก้ได้ เช่น ทอง เงิน เหล็ก ซิลิกอน หรือสารกึ่งตัวนำอื่นๆ ได้ และเราสามารถเลือกชนิดของขนบนเลโก้ได้ ซึ่งการเลือกใช้เลโก้ขนาดจิ๋วที่ต่างกันในการสร้างฟิล์มบางนี้ ฟิล์มบางที่ได้ย่อมมีคุณสมบัติที่เปลี่ยนแปลงไปด้วย ทำให้เราสร้างเซ็นเซอร์ที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันได้ และเลือกเลโก้ที่เหมาะสมกับงานต่างๆ ได้ ทั้งอุตสาหกรรมและการแพทย์ เช่น ใช้เลโก้ที่มีคุณสมบัติในการจับตัวกับเซลล์มะเร็ง” ดร.พงศกรกล่าว
จากการทำงานวิจัยดังกล่าว ดร.พงศกร ได้ค้นพบเทคนิคใหม่ๆ เป็นครั้งแรกของโลก เช่น เทคนิคใหม่ในการวัดอัตราส่วนปัวซอง (Poisson's ratio) ของฟิล์มบางอิสระจากอนุภาคนาโนและใช้ฟิล์มบางอิสระจากอนุภาคนาโนเป็นอุปกรณ์สั่นระดับนาโน โดยเขาอธิบายว่า เมื่อเราดึงวัสดุ เช่น แผ่นยาง ด้านที่โดนดึงหนึ่งจะขยาย อีกด้านจะหดตัว อัตราส่วนปัวซองจะบอกถึงอัตราส่วนของการหดตัวของด้านที่ไม่ถูกดึงต่อการขยายตัวของอีกด้าน โดยวัสดุต่างๆ จะมีอัตราส่วนปัวซองเป็นหนึ่งในคุณสมบัติพื้นฐานที่มีความสำคัญ
“เราจำเป็นต้องรู้ว่าวัสดุที่ใช้มีการหดตัวหรือขยายตัวอย่างไรเมื่อมีแรงมากระทำ เพื่อนำวัสดุมาใช้ได้อย่างเหมาะสม ฟิล์มบางอิสระจากอนุภาคนาโนมีขนาดเล็กมาก ซึ่งไม่สามารถนำมาดึงและดูการยืดและหดด้วยวิธีปกติอย่างวัสดุทั่วไป เราต้องทำการคิดค้นการวัดแบบใหม่โดยใช้ผ่านเครื่องมือที่เรียกว่า Focused Ion Beam (FIB) โดยใช้ลำแสงไอออนในการตัดฟิล์มบางให้มีลักษณะที่เจาะจง แล้วใช้ลำแสงอิเล็กตรอนมากระตุ้นให้หดและขยายแทนการดึงแบบปกติ และวิเคราะห์ต่อเพื่อคำนวณค่าอัตราส่วนปัวซอง ถือเป็นครั้งแรกของโลกที่สามารถวัดค่าปัวซองของวัสดุขนาดจิ๋วนี้ได้ เนื่องจากเป็นสิ่งที่วัดยาก ยังไม่มีใครสามารถทำได้มาก่อน”
นอกจากนี้ ดร.พงศกรยังใช้ฟิล์มบางอิสระจากอนุภาคนาโนเป็นอุปกรณ์สั่นระดับนาโน (nano drum) และดูโหมดการสั่นว่าเป็นอย่างไรได้เป็นครั้งแรกของโลก ซึ่งการสั่นเป็นสิ่งที่อ่อนไหว เช่น หากเรามีกลองวัดความสั่นแต่มีสารบางอย่างมาเกาะกลองนั้น ความสั่นของกลองก็เปลี่ยนไปด้วย คล้ายการวางของบนกลองแล้วทำให้การสั่นเปลี่ยนไป ซึ่งเรานำหลักการนี้ไปประยุกต์ใช้เป็นเซ็นเซอร์ได้ เช่น เซ็นเซอร์ตรวจจับความดัน เซ็นเซอร์ตรวจจับสารต่างๆ หรือเซ็นเซอร์ตรวจจับความเป็นแม่เหล็กได้
ปัจจุบัน ดร.พงศกร ได้ทำงานวิจัย 3 ด้านหลัก ได้แก่ ทำเซลล์แสงอาทิตย์แบบใหม่ชนิดเพอรอฟสไกต์ (perovskite solar cells) ทำแอลอีดีเปรอฟสไกต์ (perovskite LEDs) ซึ่งงานทั้ง 2 ด้านนี้สร้างขึ้นได้จากสารละลาย จึงมีราคาถูก และขึ้นรูปได้ด้วยกระบวนการที่ง่าย เช่น ฉีดสเปรย์ และยังพัฒนาต่อให้เป็นเซลล์แสงอทิตย์ที่มีสีต่างๆ หรือยืดหยุ่นได้อีกด้วย และทำฟิล์มระบายความร้อน ซึ่งเป็นฟิล์มบางยุคใหม่ที่นอกจากลดความร้อนเข้าบ้านแล้ว ยังดึงความร้อนจากในบ้านออกมาได้ด้วย
“งานวิจัยในเชิงวัสดุศาสตร์ เป็นการรวมความรู้จากหลายๆ ด้านเพื่อมาศึกษาทางวัสดุ ทั้งฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา และวิศวฯ วัสดุเป็นสิ่งที่อยู่รอบตัวเรา ทุกอย่างเป็นวัสดุหมด ไม่ว่าจะเป็นไม้ เหล็ก สารตัวนำ โซลาร์เซลล์ ต้นไม้ แม้กระทั่งเนื้อมนุษย์ซึ่งเป็นวัสดุทางชีววิทยา ผมชอบทำงานทางด้านวัสดุ เพราะผมต้องการงานที่มีนวัตกรรมที่นำไปใช้ได้ เมื่อมีวัสดุดีจะสามารถนำไปประยุกต์ใช้หลากหลายมาก” ดร.พงศกร กาญจนบุษย์กล่าว
***เรียบเรียงจาก ข้อมูลฝ่ายประชาสัมพันธ์คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ***
