3 นักเคมีเบื้องหลัง ควอนตัมดอท คำตอบสำคัญแห่งนาโนเทคโนโลยี ที่คว้ารางวัลโนเบลสาขาเคมี 2023

เป็นที่ยอมรับกันในปัจจุบันว่า นาโนเทคโนโลยีและวัสดุนาโน มีบทบาทสำคัญต่อชีวิตมนุษย์ในสมัยใหม่ แต่ก่อนที่เราจะเข้าใจสมบัติของวัสดุนาโนและสังเคราะห์วัสดุนาโนจนใช้งานได้จริง นักวิทยาศาสตร์หลากหลายสาขาได้พยายามศึกษาวัสดุนาโนมานานกว่า 40 ปี จนได้พบสมบัติที่โดดเด่นเป็นเอกลักษณ์ของวัสดุกลุ่มนี้ที่แตกต่างจากของแข็งอนุภาคใหญ่และโมเลกุลขนาดเล็ก โดย ควอนตัมดอท (Quantum dots, QDs) เป็นวัสดุนาโนกลุ่มสำคัญเนื่องจากการค้นพบและการสังเคราะห์ควอนตัมดอทได้สำเร็จได้นำไปสู่ความเข้าใจโครงสร้างของอิเล็กตรอนในวัสดุนาโนได้อย่างชัดเจนขึ้นจนนำไปสู่การประยุกต์ใช้วัสดุนาโนอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน

และด้วยเหตุที่การค้นพบและวิจัย ควอนตัมดอท ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถต่อจิ๊กซอว์นาโนเทคโนโลยีได้อย่างสมบูรณ์แบบ นั่นจึงเป็นเหตุผลที่ทำให้ 3 นักเคมี มูนฌี บาแวนดิ  (Moungi G. Bawendi) หลุยส์ บรูซ (Louis E. Brus) และ อเล็กซี เอกิมอฟ (Alexei I. Ekimov ) คว้ารางวัล โนเบลสาขาเคมี ปี 2023 ไปครอง

ไทม์ไลน์การค้นพบ ควอนตัมดอท ผ่าน 3 นักเคมี

ควอนตัมดอท (Quantum dots, QDs) หรืออนุภาคระดับนาโนเมตรของสารกึ่งตัวนำ (semiconductor nanoparticles) นับเป็นวัสดุนาโนกลุ่มหนึ่งที่มีการนำมาใช้งานอย่างแพร่หลาย เช่น เป็นวัสดุเปล่งแสงที่ให้สีที่คมชัดในจอแสดงภาพแบบ QLED (Quantum dot Light Emitting Diode) เป็นสารให้สัญญาณฟลูออเรสเซนส์ที่เข้มและมีความเสถียรสูงสำหรับการตรวจหาโปรตีนและโมเลกุลเป้าหมายเพื่อติดตามกลไกต่าง ๆ ในเซลล์ รวมทั้งใช้ในงานวิจัยทางการแพทย์เพื่อติดตามเซลล์เป้าหมาย เช่น เซลล์มะเร็งในร่างกาย โดยการใช้งานข้างต้นอาศัยสมบัติทางแสงที่โดดเด่นของ ควอนตัมดอท ได้แก่ การสามารถปรับเปลี่ยนตำแหน่งของสัญญาณฟลูออเรสเซนส์ได้โดยการควบคุมขนาดของอนุภาค ซึ่งสมบัตินี้เกิดจากผลกระทบของการจำกัดทางควอนตัม (quantum confinement effects) ที่จะเกิดขึ้นได้อย่างชัดเจนในอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากในระดับนาโนเมตร

นักฟิสิกส์ได้คำนวณและตั้งทฤษฎีที่อธิบายว่าอนุภาคระดับนาโนเมตรจะมีสมบัติทางอิเล็กตรอนที่เปลี่ยนแปลงตามขนาดของอนุภาคมาก่อนหน้าที่จะสามารถสังเคราะห์อนุภาคระดับนาโนเมตรได้จริงมาเป็นเวลานาน แต่เนื่องจากการสังเคราะห์อนุภาคระดับนาโนเมตรให้มีขนาดที่สม่ำเสมอจนสามารถเห็นปรากฏการณ์นี้ยังไม่สามารถทำได้ โดยการสังเคราะห์อนุภาคขนาดเล็กระดับนาโนเมตรแต่มีการกระจายขนาดของอนุภาคที่กว้างเกินไป สัญญาณการเปล่งแสงและดูดกลืนแสงจะไม่ชัดเจนพอที่จะเห็นปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงเมื่อเปลี่ยนขนาดอนุภาคได้

จนปี ค.ศ.1981 อเล็กซี เอกิมอฟ (Alexei Ekimov) จากสหภาพโซเวียต เป็นคนแรกที่สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงนี้ในกระจกสีที่มีผลึก copper chloride โดยพบว่าการเปลี่ยนแปลงสีในกระจกที่เกิดจากการเตรียมในสภาวะที่แตกต่างกัน เกิดเพราะขนาดของผลึก copper chloride มีขนาดแตกต่างกัน โดยอนุภาคขนาดใหญ่ดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นมาก และจะดูดกลืนคลื่นที่ความคลื่นลดลงเมื่อมีขนาดเล็กลง

ปี ค.ศ.1983 หลุยส์ บรูซ (Louis Brus) เป็นนักเคมีคนแรกที่รายงานการสังเคราะห์อนุภาค cadmium sulfide ที่มีขนาดสม่ำเสมอในระบบคอลลอยด์ที่มีอนุภาคกระจายตัวในตัวทำละลายได้สำเร็จ โดยเกิดจากการสังเกตการณ์เปลี่ยนแปลงของสีของปฏิกิริยาเคมีที่ตั้งใจใช้อนุภาค cadmium sulfide ที่มีขนาดเล็กมากเพื่อให้ได้พื้นที่ผิวสูงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง แต่การค้นพบที่สำคัญคืออนุภาค cadmium sulfide ได้ให้สีที่แตกต่างกัน เนื่องจากอนุภาค cadmium sulfide มีขนาดเปลี่ยนแปลงไปในสภาวะต่าง ๆ

ในปี 1988 ศาสตราจารย์ มูนฌี บาแวนดิ (Moungi Bawendi) ซึ่งเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกภายใต้ศาสตราจารย์ Louis Brus ได้ย้ายมาเป็นศาสตราจารย์ที่ MIT ได้ทำการศึกษาการสังเคราะห์อนุภาคควอนตัมดอท (cadmium sulfide) อย่างเป็นระบบ โดยได้ศึกษาปัจจัยต่าง ๆ ในการตกผลึกเพื่อให้ได้ผลึกที่มีความเป็นผลึกสูงและควบคุมขนาดของอนุภาคโดยการควบคุมปัจจัยต่าง ๆ โดยเฉพาะการเลือกใช้ระบบตัวทำละลายที่สามารถสร้างพันธะกับพื้นผิวของอนุภาคได้ รวมทั้งการเลือกใช้สารลดแรงตึงผิวที่เหมาะสม อุณหภูมิและเวลาในการสังเคราะห์ จนทำให้ในที่สุดในปี ค.ศ.1993 ศาสตราจารย์ Moungi Bawendi ก็ศึกษาทดลองจนได้อนุภาคระดับนาโนเมตรที่มีคุณภาพสูง มีขนาดของอนุภาคสม่ำเสมอจนสามารถให้สัญญาณฟลูออเรสเซนส์ที่ความยาวคลื่นต่าง ๆ เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงขนาดได้อย่างชัดเจน และเป็นวิธีต้นแบบในการสังเคราะห์ ควอนตัมดอท คุณภาพสูงเพื่อการประยุกต์ใช้ด้านต่าง ๆ

ควอนตัมดอท เปลี่ยนโลก
หลังจากการค้นพบควอนตัมดอทและพัฒนาวิธีการสังเคราะห์ควอนตัมดอทแล้ว นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามท่านยังได้ทำการศึกษาอย่างต่อเนื่องเพื่อให้เข้าใจโครงสร้างทางอิเล็กโทรนิคของวัสดุนาโนนี้ จนสามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในอนุภาคระดับนาโนเมตรที่เกี่ยวเนื่องกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางอิเล็กโทรนิคแบบแถบพลังงาน (Band structure) ที่เกิดในอนุภาคขนาดใหญ่เข้าสู่โครงสร้างแบบชั้นพลังงาน (quantized state) ในวัสดุนาโน นอกจากนี้ ศาสตราจารย์ Moungi Bawendi ยังนำควอนตัมดอทที่มีสมบัติเชิงแสงที่โดดเด่นนี้ ไปประยุกต์กับงานวิจัยด้านอื่น ๆ ผ่านการทำงานข้ามศาสตร์จนทำให้เราได้เห็นศักยภาพของ ควอนตัมดอท ในด้านต่าง ๆ เช่น การร่วมมือกับวิศวกรไฟฟ้าในการศึกษาการเปล่งแสงโดยการกระตุ้นด้วยไฟฟ้า (electroluminescence) จนพัฒนาไปสู่เทคโนโลยี Quantum dot LED การร่วมมือกับนักฟิสิกส์ในการศึกษาสมบัติการให้เลเซอร์และการดูดกลืนแบบ two-photon absorption และการร่วมมือกับแพทย์สาขาต่าง ๆ ในการพัฒนาควอนตัมดอทเพื่อเป็นสารให้สัญญาณฟลูออเรสเซนส์เพื่อตรวจวัดโมเลกุลและเซลล์เป้าหมายต่าง ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพและมีความเสถียรสูง

จากจุดเริ่มต้นการค้นพบควอนตัมดอท ด้วยความพยายามและความมุ่งมั่นนำไปสู่การหาวิธีที่เหมาะสมในการสังเคราะห์ควอนตัมดอทของนักเคมีทั้ง 3 ท่าน ทำให้ปัจจุบันควอนตัมดอทได้รับความสนใจอย่างแพร่หลาย และเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูงในการพัฒนาต่อไปในอนาคตทั้งทางด้านอุปกรณ์อิเล็กโทรนิกส์ การแพทย์และชีววิทยา ตัวเร่งปฏิกิริยา วัสดุไวแสงในการสร้างโซลาเซลล์ และควอนตัมคอมพิวเตอร์

ทั้งนี้ใน ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เองก็ได้เห็นศักยภาพของควอนตัมดอทและวัสดุนาโน และมีงานวิจัยที่นำ ควอนตัมดอท มาประยุกต์หลายโครงการ โดยเฉพาะด้านการพัฒนาเซนเซอร์ และการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีจากควอนตัมดอท เพื่อพัฒนาต่อยอดวัสดุนาโนกลุ่มนี้ให้เกิดประโยชน์ต่อสุขภาพ สิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจของประเทศต่อไป

ขอบคุณ : ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย