นาโนเทคโนโลยี  เทคโนโลยีการสร้างระดับนาโน  การสร้างโครงสร้างนาโนในระบบธรรมชาติ (1)
 
 
 
          วัตถุประสงค์ของมนุษย์สำหรับการใช้นาโนเทคโนโลยี คือ การสร้างโครงสร้างระดับนาโนที่มีความเสถียร  และเป็นโครงสร้างที่มีความพิเศษที่สามารถนำมาใช้งานด้านต่างๆ ที่หลากหลายได้   เมื่อเราทราบกับแล้วว่าโครงสร้างนาโนนั้นเกิดขึ้นหรือมีอยู่แล้วในธรรมชาติ  และเป็นโครงสร้างที่น่าอัศจรรย์อย่างยิ่งในความซับซ้อนและกลไกในการทำงานต่างๆ    ในการที่เราจะสามารถสร้างโครงสร้างระดับนาโนที่เสถียรและมีคุณสมบัติที่พิเศษได้นั้น จำเป็นที่จะต้องเข้าใจด้วยว่าในระบบธรรมชาตินั้นมีวิถีทางในการสร้างโครงสร้างนาโนอย่างไร  เพื่อที่จะนำความเข้าใจนั้นมาสู่วิธีการใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่ที่มีอยู่มาใช้ในการสร้างโครงสร้าง หรือจัดเรียงอะตอมต่างๆ ในระดับนาโนตามวิถีทางที่ต้องการได้ ซึ่งในปัจจุบันนี้เราก็สามารถที่จะดำเนินการจัดเรียงอะตอมต่างๆ หรือมีวิธีการในการสร้างโครงสร้างระดับนาโนได้อย่างแม่นยำและมีความถูกต้องสูง อันจะนำไปสู่การนำโครงสร้างนาโนที่มีความพิเศษเหล่านั้นมาใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ต่อไปในปัจจุบันและอนาคต 
 
 
 
 
 
          วิธีการก่อสร้างโครงสร้างนาโนของระบบธรรมชาตินั้นเป็นวิธีการที่มีความซับซ้อน  และเป็นวิธีการที่เกิดขึ้นอย่างเป็นลำดับขั้นตอน  จนกระทั่งได้เป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ที่มีบทบาทหน้าที่จำเพาะทางชีวภาพ (ตามแนวทางการสร้างแบบจากเล็กไปใหญ่ (bottom-up))   ซึ่งลำดับขั้นตอนของวิธีการที่เกิดขึ้นในการก่อสร้างโครงสร้างนาโนของระบบชีวภาพนั้น สามารถแบ่งได้เป็น 4 ลำดับขั้นตามระดับความซับซ้อนของโครงสร้าง  โดยมีลำดับขั้นตอนดังนี้
 
 
            โครงสร้างในระดับแรกนั้นเกิดจากการสังเคราะห์โดยการสร้างพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมอย่างเป็นลำดับ  ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นโดยที่อะตอมแต่ละอะตอมถูกยึดเข้าไว้ด้วยกันโดยตรง  เป็นโครงสร้างโมเลกุลหนึ่งที่ถูกออกแบบไว้โดยธรรมชาติ (หรือกล่าวได้ว่าถูกกำหนดไว้แล้วว่าเป็นอะตอมที่สามารถจะสร้างพันธะโควาเลนต์ต่อกันและกันได้)  โดยผลจากการสร้างพันธะระหว่างกันจะได้เป็นโมเลกุลที่มีการแบ่งปันอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมร่วมกัน  ซึ่งเรียกโครงสร้างโมเลกุลแบบนี้ว่า โมเลกุลโควาเลนต์ (covalent) และลำดับขั้นตอนของวิธีการสร้างโครงสร้างนาโนในระบบธรรมชาติโดยการสร้างพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมนี้  ก็เป็นวิธีการที่คล้ายกันกับแนวทางของการก่อสร้างโครงสร้างวัตถุขนาดใหญ่ที่มีอยู่ในปัจจุบันนี้มากที่สุดด้วย  โดยเหมือนกันตรงที่โครงสร้างที่เป็นผลผลิตนั้นได้ถูกออกแบบหรือถูกกำหนดลักษณะไว้ก่อนล่วงหน้าแล้ว ต่อ จากนั้นจึงนำส่วนประกอบต่างๆ มาจัดเรียงตัวเข้าด้วยกันทีละชิ้นอย่างเป็นลำดับ  จนได้เป็นโครงสร้างตามลักษณะที่ต้องการขึ้นมา (ในระบบธรรมชาติก็คือการที่อะตอมต่างๆ ที่สามารถสร้างพันธะต่อกันและกันได้ยึดตัวเข้าด้วยกันทีละอะตอมจนได้เป็นโครงสร้างโมเลกุลขึ้นมา)  ตัวอย่างเช่น  กรดไขมันที่เกิดขึ้นมาจากการสร้างพันธะโควาเลนต์ต่อกันและกันระหว่างหน่วยคาร์บอนสองตัวทีละขั้นตอน  จนกระทั่งประกอบกันเป็นโครงสร้างขึ้นมา  
 
โมเลกุลที่เกิดจากการสังเคราะห์โควาเลนต์อย่างเป็นลำดับ
 
 
ลักษณะโครงสร้างของกรดไขมันชนิดต่างๆ ที่เกิดจากการการสังเคราะห์โควาเลนต์ต่อกันและกันระหว่างหน่วยคาร์บอนอย่างเป็นลำดับ
 
          ผลดีของโครงสร้างโมเลกุลที่ได้จากวิธีการก่อสร้างโครงสร้างโดยการสังเคราะห์โดยการสร้างพันธะโควาเลนต์นี้ก็คือ  ได้ผลลัพธ์เป็นโครงสร้างโมเลกุลที่มีความหลากหลาย (ตามอะตอมที่สามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ต่อกันและกันได้)  และได้เป็นโครงสร้างโมเลกุลที่มีความแข็งแรง (เนื่องจากพันธะโควาเลนต์มีแรงของพันธะที่มีค่าสูง)  จึงทำให้อะตอมต่างๆ ที่สร้างพันธะโควาเลนต์ต่อกันและกันมี ความเครียด (strain) สูง แต่ก็ยังเป็นรูปแบบโครงสร้างโมเลกุลที่มีความเสถียรอยู่ได้  (หรืออาจจะทำให้ได้โครงสร้างโมเลกุลที่ไม่เหมือนกับที่มีอยู่โดยทั่วไปก็เป็นได้) ดังนั้นจะเห็นได้ว่าการสังเคราะห์โดยการสร้างพันธะโควาเลนต์อย่างเป็นลำดับนี้  ในธรรมชาติมีการนำมาใช้  เพื่อสร้างเป็นโครงสร้างโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่สำคัญจำนวนมากมาย
         
โครงสร้างที่เกิดจากการสังเคราะห์โควาเลนต์อย่างเป็นลำดับของท่อนาโนคาร์บอน
 
 
 
          การขยายขนาดของโมเลกุลโดยการเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์  เป็นกระบวนการที่ถูกสร้างขึ้นโดยการประกอบตัวกัน  โดยอาศัยการสร้างพันธะโควาเลนต์ของโมเลกุลที่เป็นหน่วยย่อยพื้นฐานแต่ละหน่วย (หรือที่เรียกว่ามอนอเมอร์ (monomer)) กันแบบซ้ำๆ จนได้โครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เรียกว่าพอลิเมอร์ (polymer) ที่อาจจะมีลักษณะเป็นแบบสายตรง  เป็นสายแบบมีกิ่งก้าน หรือเป็นแบบร่างแห  ตัวอย่างเช่น  แป้ง  เซลลูโลส โปรตีนในธรรมชาติ  พอลิเอสเทอร์ พอลิเอไมด์  พอลิเอทิลีน  พอลิไวนิลคลอไรด์ (PVC) เป็นต้น    
 
ลักษณะโครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เกิดจากการขยายขนาดโดยการเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ ซึ่งเกิดขึ้นโดยการเชื่อมต่อมอนอเมอร์แต่ละหน่วยเข้าด้วยกันโดยการสร้างพันธะโควาเลนต์   จนะกระทั่งได้เป็นสายพอลิเมอร์
 
          โครงสร้างโมเลกุลของดีเอ็นเอที่อยู่ภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด  เป็นตัวอย่างหนึ่งที่ชัดเจนของโครงสร้างนาโนที่ได้จากการขยายขนาดขึ้นมา  ซึ่งก็คือโมเลกุลของสายพอลินิวคลีโอไทด์  โดย โครงสร้างที่ได้เกิดขึ้นมาจากการเชื่อมต่อมอนอเมอร์ของหน่วยโครงสร้างพื้นฐานที่มีขนาดในระดับนาโนแบบซ้ำๆ (มอนอเมอร์หน่วยโครงสร้างพื้นฐานนั้นก็คือโมเลกุลของนิวคลีโอไทด์) ซึ่งจะถูกสร้างขึ้นมาเรื่อยๆ ในแต่ละช่วงเวลา  โดยอาศัยการเชื่อมต่อกันระหว่างมอนอเมอร์ด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเตอร์ (phosphodiester) ซึ่งพันธะฟอสโฟไดเอสเตอร์นี้เกิดจากการสร้างพันธะโควาเลนต์  ระหว่างโมเลกุลของหมู่ฟอสเฟตและหมู่โมเลกุลของน้ำตาลที่อยู่ร่วมกันเป็นโครงสร้างสันหลังของดีเอ็นเอ 
 
          โครงสร้างโมเลกุลที่ได้จากการขยายขนาดโดยการเชื่อมต่อด้วยพันธะโควาเลนต์ที่เกิดขึ้นในระบบธรรมชาตินั้น  อาจจะทำให้ได้โครงสร้างโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่เป็นพิเศษก็เป็นไปได้   แต่ด้วยความมหัศจรรย์ของระบบชีวภาพในธรรมชาตินั้น  ก็มีการจำกัดขอบเขตในการสังเคราะห์โครงสร้างโมเลกุลนี้อยู่แล้วโดยอัตโนมัติ  ด้วยลักษณะของการจำกัด 2 ประการ  ได้แก่
 
          การสังเคราะห์เพื่อขยายขนาดจะถูกจำกัดด้วยแบบแผนเชิงเคมีของการเชื่อมต่อกันในแต่ละมอนอเมอร์  ซึ่งถูกกำหนดไว้แล้วโดยธรรมชาติ  ทำให้ลักษณะแบบแผนของแต่ละโครงสร้างนั้นถูกกำหนดไว้แล้วด้วยชนิดของพันธะที่จำเพาะนี้นั่นเอง  ตัวอย่างเช่น โปรตีนซึ่งประกอบตัวกันขึ้นเป็นสายพอลิเมอร์จากการเชื่อมต่อมอนอเมอร์ของกรดอะมิโน  โดยอาศัยการเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเปปไทด์ (peptide) เท่านั้น   เป็นต้น
 
          การสังเคราะห์เพื่อขยายขนาดถูกกำหนดเพื่อนำไปสู่มอนอเมอร์ที่จะเสถียรได้ภายใต้เงื่อนไขของปฏิกิริยาที่จำเพาะ  ดังนั้นแล้วแบบแผนเชิงเคมีบางครั้ง  อาจจะถูกปรับเปลี่ยนได้เพื่อประโยชน์ในการสังเคราะห์โครงสร้างที่หลากหลายมากขึ้น  โดยการปรับขยายแบบแผนเชิงเคมีนี้นั้นระบบธรรมชาติก็เป็นผู้ที่กำหนดขึ้นมาเอง  เพื่อปกป้องโมเลกุลของกลุ่มที่ไวต่อปฏิกิริยาในช่วงระหว่างการสังเคราะห์เป็นโครงสร้าง  การจำกัดในลักษณะนี้ที่พบเห็นได้ในระบบธรรมชาติ  ก็อย่างเช่น  การที่เอนไซม์บางตัวมาทำปฏิกิริยาแล้วยินยอมให้โครงสร้างโมเลกุลพอลิเมอร์บางชนิด  เกิดขึ้นมาจากการเชื่อมต่อกันของมอนอเมอร์ที่มีคุณสมบัติเชิงเคมีที่ไม่เหมือนกันได้  เป็นต้น (หรือที่เกิดขึ้นในโครงสร้างโมเลกุลแบบโคพอลิเมอร์นั่นเอง) 
 
          การขยายขนาดโดยการเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ที่ถูกนำใช้ในการก่อสร้างโครงสร้างของวัตถุขึ้นมาใหม่  ที่สามารถเห็นได้โดยทั่วไปรอบตัวเรา  ตัวอย่างเช่น โครงสร้างของพลาสติกแบบต่างๆ  เช่น  พอลิเอทิลีน (polyethylene) ยางที่มีความยืดหยุ่น  หรือไนลอน (nylon) ซึ่งโครงสร้างเหล่านี้ล้วนแต่เป็นโครงสร้างที่ประกอบตัวกันขึ้นมา  โดยการขยายขนาดโดยการเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ทั้งนั้น
 
ลักษณะโครงสร้างโมเลกุลของไนลอนที่เป็นโฮโมพอลิเมอร์ (homopolymer)   ที่เกิดขึ้นมาจากการขยายขนาดโดยการเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ของแต่ละมอนอเมอร์เดียวกัน ซึ่งสุดท้ายก็จะได้เป็นโครงสร้างขนาดใหญ่หรือพอลิเมอร์ขึ้นมา

คำศัพท์คณิตศาสตร์ที่น่าสนใจ

หมวด : | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

    ศัพท์เคมี    ศัพท์คณิตศาสตร์   ศัพท์ฟิสิกส์   

  บทความวิทยาศาสตร์      ศัพท์ชีววิทยา      สื่อการสอนฟิสิกส์      ศัพท์วิทยาศาสตร์

พจนานุกรมเสียง 1   แมว    วัว 1    วัว 2    วัว 3   

เหมียว   แกะ     พจนานุกรมภาพการ์ตูน

พจนานุกรมภาพเคลื่อนไหว   ดนตรี  Bullets แบบ JEWEL 

พจนานุกรมภาพต่างๆ  ภาพเคลื่อนไหวของสัตว์ต่างๆ  โลกและอวกาศ

อุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ

 

การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

 

 1. ไฟฟ้าสถิต   2.  สนามไฟฟ้า   3. ความกว้างของสายฟ้า 

4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 

5. ศักย์ไฟฟ้า   6. กระแสไฟฟ้า  7. สนามแม่เหล็ก   8.การเหนี่ยวนำ

9. ไฟฟ้ากระแสสลับ   10. ทรานซิสเตอร์  11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตร์ควอนตัม   

15. โครงสร้างของอะตอม   16. นิวเคลียร์   

17. การสอนไฟฟ้าแม่เหล็กของมหาวิทยาลัยรังสิต

กลับหน้าสารบัญ

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

หนังสืออิเล็กทรอนิกส์