เปิดตัว “นาฬิกาตรวจแก็สพิษ” งานวิจัยต่อยอดจากหมึกนำไฟฟ้า

แก็สพิษนับเป็นหนึ่งในสาเหตุการเสียชีวิตของประชากรโลก โดยการรับแก็สพิษอาจจะเกิดจากทั้งความตั้งใจและความไม่ตั้งใจ ซึ่งในชีวิตประจำวันของเราก็ได้รับแก็สพิษเข้าไปโดยไม่รู้ตัวอยู่แล้ว แต่เหตุที่เรายังไม่เสียชีวิตอาจเพราะได้รับแก็สพิษในปริมาณน้อย แล้วเราจะรู้ได้อย่างไรว่าสถานที่เราอยู่หรือต้องเข้าไปอยู่ชั่วคราวนั้น มีระดับแก็สพิษที่ทำให้เราเสียชีวิตหรือไม่

โจทย์ดังกล่าวทำให้ ผศ.ดร.ชัชวาล วงศ์ชูสุข นักวิจัย สกว. จากภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ได้วิจัยเรื่องนาโนเซนเซอร์เพื่อความปลอดภัยของชีวิตและสิ่งแวดล้อมขึ้นมา และได้พัฒนาต่อจนประยุกต์ออกมาในรูปของนาฬิกาตรวจจับแก็สพิษตัวต้นแบบ โดยนาโนเซนเซอร์นี้จะถูกใช้เพื่อแจ้งเตือนเมื่อมีระดับของแก็สพิษสูงกว่าค่าที่ตั้งไว้

นาฬิกาตรวจจับแก็สพิษดังกล่าวยังได้นำไปจัดแสดงและทดสอบความสามารถของระบบประมวลผลครั้งแรกภายในงาน “นักวิจัยรุ่นใหม่...พบ...เมธีวิจัยอาวุโส สกว.” ครั้งที่ 17 TRF-OHEC Annual Congress 2018 (TOAC 2018) ซึ่งจัดขึ้นโดยสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) ระหว่างวันที่ 10-12 มกราคม พ.ศ. 2561 ณ โรงแรมเดอะรีเจ้นท์ ชะอำ บีช รีสอร์ท จังหวัดเพชรบุรี

นาโนเซนเซอร์ดังกล่าวพัฒนาขึ้นจากน้ำหมึกนำไฟฟ้า ซึ่ง ผศ.ดร.ชัชวาล เปิดเผยแก่ทีมข่าวผู้จัดการวิทยาศาสตร์ว่า เริ่มแรกของการผลิตนาโนแก็สเซนเซอร์นั้น ทีมวิจัยจะหาสูตรน้ำหมึกนำไฟฟ้า เนื่องจากน้ำหมึกตัวนี้เป็นหัวใจสำคัญของการตรวจจับโมเลกุลแก็ส โดยในน้ำหมึกนำไฟฟ้านี้จะประกอบด้วยโมเลกุลขนาดนาโน เช่น กราฟีน อนุภาคซิลเวอร์ระดับนาโน หรือสารจำพวกพอลิเมอร์นำไฟฟ้าชนิดต่างๆ โดยสารแต่ละตัวจะให้คุณสมบัติในการตอบสนองต่อแก๊สที่แตกต่างกันไป

หลังจากที่ทีมวิจัยได้สูตรน้ำหมึกนำไฟฟ้าที่ผสมตามสัดส่วนแล้ว จึงนำไปใส่แทนน้ำหมึกเดิมของเครื่องพิมพ์ระบบอิงค์เจ็ท จากนั้นออกแบบตัวเซนเซอร์ด้วยโปรแกรมพื้นฐานอย่างไมโครซอฟท์เวิร์ด (Microsoft Word) และสั่งพิมพ์ออกมาเช่นเดียวกับขั้นตอนการพิมพ์เอกสาร ซึ่งการสั่งพิมพ์นาโนแก็สเซนเซอร์นั้นจะสั่งพิมพ์ลงบนแผ่นฟิล์มใสเพื่อให้ตัวเซนเซอร์มีความบางและสามารถโค้งงอได้

"จากนั้นนำเซนเซอร์ที่พิมพ์ออกมาไปประกอบกับตัวชิ้นนาฬิกา ซึ่งทางทีมวิจัยประกอบขึ้นเองทั้งหมด โดยภายในตัวนาฬิกาจะมีวงจรอ่านค่าเซนเซอร์ วงจรแสดงผล วงจรเสียง วงจรจ่ายไฟ วงจรกรองสัญญาณ เพื่อรับค่าจากเซนเซอร์ที่ทำหน้าที่ตรวจจับแก็สพิษ จากนั้นระบบจะประมวลผลและแสดงผลที่หน้าจอ เมื่อนาฬิกานี้สามารถตรวจจับแก็สที่ระดับเกินค่าที่ตั้งไว้ ตัวนาฬิกาจะส่งเสียงเตือนและมีการแสดงผลค่าที่อ่านได้จากตัวเซนเซอร์ที่บริเวณหน้าจอ ซึ่งตัวเซนเซอร์ที่ใช้ในการตรวจจับแก็สสามารถถอดเปลี่ยนได้" ผศ.ดร.ชัชวาลอธิบาย

นักวิจัยอธิบายต่อว่านาโนแก็สเซนเซอร์ตัวนี้แตกต่างจากแก็สเซนเซอร์ตัวอื่นคือเทคโนโลยีที่ของแก๊สเซนเซอร์ทั่วไปนั้นมี 2 เทคโนโลยีหลักๆ คือเมทัลออกไซด์ซึ่งเป็นแก็สเซนเซอร์แบบโลหะ ที่มีทั้งราคาถูกและราคาแพง หัวเซนเซอร์มีขนาดใหญ่และต้องใช้ความร้อนสูงในการทำงาน และไม่สามารถวัดก๊าซที่จำเพาะเจาะจงได้ และอีกเทคโนโลยีหนึ่งคือ อิเล็กโทรแก็สเซนเซอร์หรือแบบไฟฟ้าเคมี ซึ่งมีการตอบสนองต่อก๊าซจำเพาะสูง แต่ยังมีปัญหาเรื่องขนาดที่ใหญ่ ราคาแพง มีเสถียรภาพการใช้งานและช่วงเวลาที่จำกัด

“ทว่านาโนก๊าซเซนเซอร์ที่ทีมวิจัยพัฒนาขึ้นนี้มีราคาที่ถูกกว่า และลงทุนเพียงไม่กี่บาท และเมื่อนำมาประกอบเป็นผลิตภัณฑ์รวมทั้งหมด ก็ได้นาฬิกาตรวจวัดแก็สพิษในราคาประมาณหลักร้อยบาท และข้อดีอีกอย่างคือใช้เวลาในการตรวจจับและตอบสนองต่อแก็สแต่ละชนิดที่เร็วกว่า เพราะสามารถแจ้งเตือนกับผู้ใช้เมื่อเจอแก๊สพิษได้ในเวลาน้อยกว่า 10 วินาที โดยตัวเซ็นเซอร์ก็จะส่งเสียงออกมาเพื่อให้ผู้สวมใส่รู้ตัว และจะหยุดส่งเสียก็ต่อเมื่อก๊าซพิษนั้นอยู่ในระดับที่ต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้ และเป็นระดับที่ไม่เป็นอันตราย" ผศ.ดร.ชัชวาลอธิบาย

สำหรับการพัฒนาในรุ่นต่อไปนั้น ผศ.ดร.ชัชวาลระบุว่า จะพัฒนาให้นาฬิกาบรรจุเซนเซอร์ตรวจจับแก็สได้พร้อมกัน 2 ชนิด และมีรูปลักษณ์ที่บางกว่ารุ่นแรก ส่วนแก็สเซนเซอร์นั้นก็จะพัฒนาให้มีขนาดที่เล็กลง เพื่อที่ได้สามารถนำไปใส่นาฬิการุ่นที่สองได้ และคาดว่านาฬิการุ่นต่อไปจะพัฒนาให้สามารถใส่แก็สเซนเซอร์ได้สูงสุด 4 ตัว เนื่องจากผู้ส่วนใส่แต่ละคนจะมีโอกาสเจอแก๊สพิษที่แตกต่างกัน อย่างเช่นผู้ที่ทำงานในระบบบำบัดน้ำเสียจะมีโอกาสเจอแก๊สไฮโดรเจนซัลไฟด์ หรือแก๊สไข่เน่าและแก็สมีเทน แต่ถ้าเป็นบุคคลทั่วไปก็จะต้องการแก็สเซนเซอร์ที่สามารถตรวจจับแก๊สไนตรัสออกไซด์ซึ่งเป็นแก๊สที่เกิดจากการเผาไหม้ของเครื่องยนตร์ที่สมบูรณ์ แก็สคาร์บอนไดออกไซด์จากการเผาไหม้และก๊าซคาร์บอนมอนออกไซด์

"เหตุที่กำหนดจำนวนแก็สเซนเซอร์ที่สามารถใส่ไว้เพียง 4 ตัวเนื่องจากอยากตัวนาฬิกามีราคาถูก เพราะการที่มีตัวแก๊สเซนเซอร์ติดอยู่ที่ตัวนาฬิกามากเกินไปทำให้ตัวอุปกรณ์ที่อยู่ข้างในเยอะตามไปด้วย อีกทั้งต้องการให้นวัตกรรมชิ้นนี้เข้าถึงคนทั่วไปได้
ในส่วนของอุปสรรคในการวิจัยนี้คือ ตัวนาโนแก็สเซนเซอร์ที่พัฒนาออกมาบางตัวไม่สามารถตรวจวัดแก็สที่ต้องการให้วัดได้ อย่างพัฒนานำหมึกนำไฟฟ้าจากอนุภาคนาโนของซิลเวอร์ (silver) เพื่อให้ตอบสนองต่อแก็สพิษ แต่ตัว silverกลับตอบสนองต่อความชื้นได้ดี อย่างไรก็ตามในส่วนนี้ถือว่าเป็นการค้นพบสิ่งใหม่ๆ" ผศ.ดร.ชัชวาลยกตัวอย่าง

งานวิจัยนาโนแก๊สเซนเซอร์นี้นับว่าเหมาะสำหรับบุคคลทั่วไปอย่างคนขับเท็กซี่ที่ต้องขับรถทั้งวัน ซึ่งจะมีการสูดเอาแก็สคาร์บอนไดออกไซด์และคาร์บอนมอนออกไซด์เข้าไปแบบไม่รู้ตัว คนที่รักษาสุขภาพเนื่องจากในอากาศจะแก็สพิษบางตัว อย่างฟอร์มัลดีไฮด์สารก่อมะเร็งที่พบในเฟอร์นิเจอร์ หรือคนที่ทำงานในโรงงานอุตสาหกรรมและพื้นที่เสี่ยงต่อการได้รับแก๊สพิษอย่างบ่อบำบัดน้ำเสีย

"ณ ตอนนี้ยังไม่มีการนำไปตัวนาฬิกาไปทดลองใช้ที่ใด เนื่องจากทีมวิจัยเพิ่งผลิตเสร็จ แต่หัวใจสำคัญคืออยู่ที่ตัวเซ็นเซอร์ เพราะถ้าหากตัวเซ็นเซอร์สามารถทำงานได้ดีก็สามารถพัฒนาเป็นตัวอุปกรณ์อย่างที่อื่นที่ไม่ใช่นาฬิกาได้ นอกจากนี้ในอนาคตถ้าหากทางโรงงานอุตสาหกรรมจะสั่งทำตัวแก็สเซนเซอร์เพื่อวัดแก็สจำเพาะภายในโรงงานก็สามารถทำได้ เพียงมีแก็สเป้าหมาย (Target Gas) ที่ต้องการตรวจวัด ทางทีมวิจัยก็สามารถพัฒนาวัสดุนาโนเพื่อใช้ในการตอบสนองแก็สเป้าหมายที่ต้องการได้" ผศ.ดร.ชัชวาลระบุ