แรงบันดาลใจสำหรับชิปในอนาคต


แรงบันดาลใจสำหรับชิปในอนาคต

ถ้าหากคุณไปที่ชายหาดแล้วหยิบเปลือกหอยขึ้นมาสักชิ้น คุณกำลังสัมผัสถึงนาโนเทคโนโลยีที่ธรรมชาติสร้างสรรค์ขึ้น เปลือกหอยเป็นต้นแบบทางนาโนเทคโนโลยีในธรรมชาติที่สร้างขึ้นโดยสิ่งมีชีวิต นักวิทยาศาสตร์กำลังศึกษาว่าหอยสร้างเปลือกของมันขึ้นได้อย่างไร เปลือกหอยเป๋าฮื้อประกอบด้วยแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) เช่นเดียวกับชอลก์เขียนกระดาน แต่เปลือกหอยเป๋าฮื้อนั้นมีความสวยงามมันวาว และมีความแข็งแรงสูงมาก เนื่องจากโครงสร้างมีการเรียงตัวที่ต่างกัน โครงสร้างของเปลือกหอยเป๋าฮื้อจัดเรียงอย่างปราณีตประกอบด้วยชิ้นแคลเซียมคาร์บอเนตขนาดนาโนเมตรเรียงต่อกันเป็นชั้นแต่ละชั้นถูกเชื่อมกันด้วยโปรตีนเหมือนกับการก่อกำแพงอิฐ โครงสร้างที่มหัศจรรย์เหล่านี้จะถูกใช้เป็นต้นแบบในการผลิตนาโนชิปในอนาคต

ดร. แองเจลล่า เบลเชอร์ จาก Massachusetts Institute of Technology ได้ทำการวิจัยและพัฒนา เพื่อทำให้วัสดุที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิต เช่น โปรตีน จากแบคทีเรีย ไวรัสและสาย DNA สามารถจับกับสารอนินทรีย์เช่น สารกึ่งตัวนำ และอนุภาคของโลหะ ทำให้เกิดโครงสร้างที่แข็งแรงและสามารถนำไฟฟ้าได้ โดยสารลูกผสมที่เกิดขึ้นนี้ถูกเรียกว่า electronic biocomposite material ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในการสร้างอุปกรณ์ทางอิเล็คทรอนิกส์

ดร. แองเจลล่า กล่าวว่า ธรรมชาติได้สร้างโครงสร้างอันน่าทึ่งของสิ่งมีชีวิต เช่น เปลือกหอย และกระดูก แต่วัสดุทางชีวภาพเหล่านี้ไม่สามารถนำมาใช้เพื่อเป็นสารกึ่งตัวนำ ทางอิเล็คทรอนิกส์ได้ ทีมวิจัยของ ดร. แองเจลล่า เรียนรู้จากกระบวนการธรรมชาติ เพื่อนำวิธีการดังกล่าวมาประยุกต์ใช้ วัสดุที่ ดร. แองเจลล่า ตั้งใจจะสร้างขึ้นนั้นจะช่วยให้ชิปที่เป็นองค์ประกอบของคอมพิวเตอร์ และวงจรอิเล็คทรอนิคอื่น ๆ สามารถทำงานได้รวดเร็ว ใช้พลังงานที่น้อยลง และมีราคาถูกกว่าชิปคอมพิวเตอร์ที่เราใช้อยู่ในปัจจุบัน งานวิจัยนี้ได้รับความสนใจอย่างมากด้านการทหาร เนื่องจากวัสดุที่ใหม่ที่ได้จะนำมาใช้เป็นส่วนหนึ่งของชุดยูนิฟอร์มของทหารในอนาคตที่ไม่เคยมีมาก่อน เช่น ชุดทหารที่สามารถสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อเป็นเกราะป้องกันได้
โครงสร้างทางชีวภาพ (ฺBiocomposite) นั้นปรากฏมานานเป็นเวลาหลายร้อยล้านปี สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีโครงสร้างที่แข็งแรง เช่น กระดูกและกระดูกอ่อน สัตว์ทะเลที่ไม่มีกระดูกสันหลังก็สร้างเปลือกอันแข็งแรงขึ้นเพื่อปกป้องตัวของมัน การสร้างองค์ประกอบร่างกายของสิ่งมีชีวิตใช้หลักการประกอบตัวเอง (self assmbley) เพราะไม่มีใครที่สร้างสิ่งมีชีวิตได้โดยอาศัยการวางเรียงอะตอมทีละอะตอม แต่เกิดขึ้นเพราะโปรตีนและโมเลกุลชีวภาพในร่างกายมนุษย์ และสิ่งมีชีวิต มีพิมพ์เขียวที่กำหนดไว้แล้วว่าต้องเรียงตัวอย่างไรจึงจะสร้างองค์ประกอบของร่างกายขึ้นมาได้ โครงสร้างชีวภาพมีกระบวนการที่เรียกว่า การตรวจสอบความถูกต้อง (self correct) ถ้าหากเกิดอะไรขึ้นกับกระดูกของเรา ร่างกายสามารถซ่อมแซมกระดูกของเราได้ หรือหาก DNA มีความผิดปกติ ร่างกายจะพยายามที่จะซ่อมแซม DNA ให้อยู่ในสภาพเดิม จากการศึกษาพบว่า 98 เปอร์เซ็น ของเปลือกหอยเป็นสารอนินทรีย์ และอีก 2 เปอร์เซ็นต์เป็นโปรตีน ซึ่งความสัมพันธ์กันระหว่างสาร อนินทรีย์และสารทางชีวภาพ คือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจ
หอยมีความสามารถในการสร้างแบบแผนการเจริญของเปลือก หากดูในตารางธาตุ ตัวอย่างของแร่ธาตุที่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตเช่น แคลเซียม แบเรียม เหล็ก ซิลิก้า และฟอสเฟต แต่มีแร่ธาตุอีกเป็นส่วนใหญ่ที่สิ่งมีชีวิตไม่นำมาใช้ นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามที่จะใช้เทคนิคทางวิศวกรรมโปรตีนเพื่อสร้างโครงสร้างที่มีองค์ประกอบที่หลากหลายมากยิ่งขึ้น ทีมวิจัยได้พัฒนาห้องทดลองเพื่อหาโปรตีนที่สามารถจับกับสารที่มีคุณสมบัตินำไฟฟ้า และมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กเพื่อสร้างโครงสร้างชนิดใหม่ หอยใช้เวลาถึง 15 ปีในการที่จะสร้างเปลือกได้อย่างสมบูรณ์แต่ในห้องทดลองเราจำเป็นต้องใช้กระบวนการที่เร็วกว่านั้น เพื่อสร้างเปลือกที่มีโปรตีนเป็นองค์ประกอบ ไวรัสจึงเป็นทางเลือกหนึ่งที่น่าสนใจ บริเวณเปลือกที่ห่อหุ้มไวรัสมีโปรตีนเป็นองค์ประกอบ อีกทั้งไวรัสยังมีความสามารถในการประกอบตัวเองได้อย่างถูกต้อง ดร. แองเจลลา และ ซานดรา วาลเล่ย์ ได้เลือกใช้ไวรัสที่เพิ่มจำนวนในแบคทีเรีย (bacteriophages) เพื่อทำการทดลอง โดยทำการแยกโปรตีนของไวรัสที่สามารถจดจำ และจับกับธาตุแกลเลี่ยม (gallium) อาร์เซไนด์ (arsenide) ซิลิคอน (silicon) อินเดียมฟอสไฟด์ (indium phosphides) และซิงค์ซิลิไนด์ (zinc selenide)ได้ โดยจะทำการค้นหาและคัดแยกโปรตีนของไวรัสที่มีความสามารถในการแยกแยะสารกึ่งตัวนำที่เป็นโลหะผสม และจับกับโลหะเฉพาะเท่านั้น ซึ่งทีมของดร. แองเจลลา เป็นนักวิทยาศาสตร์กลุ่มเดียวที่ศึกษาเรื่องนี้ โดยโปรตีนจับกับอนุภาคของสารอนินทรีย์ได้อย่างจำเพาะ โปรตีนจะประกอบตัวอย่างอัตโนมัติตามแบบที่ถูกออกแบบไว้

จากภาพคือการแสดงความสามารถของโปรตีนจากไวรัสที่สามารถจดจำสารอนินทรีย์ที่แตกต่างกันได้ โดยตัว อักษร UT ที่เห็นอยู่นั้นเป็น สารแกลเลี่ยมอาร์เซไนด์ (GaAs) ซึ่งอยู่บนแผ่นสารกึ่งตัวนำที่ทำจาก ซิลิคอนไดออกไซด์ สารโปรตีนที่ถูกติดฉลากไว้จะแสดงให้เห็นเป็นสีแดง โดยจะจับกับบริเวณ ที่มี GaAs เท่านั้น บริเวณที่เป็นสีดำคือบริเวณของซิลิคอนไดออกไซด์ เนื่องจากไม่ถูกจับด้วยโปรตีนทำให้ไม่เห็นเป็นสีแดง

ขั้นตอนในการพยายามหาไวรัสที่สามารถจับกับสารกึ่งตัวนำได้นั้นนักวิจัยจำเป็นต้องใช้ไวรัสหลายชนิดเพื่อคัดแยกมาเพียงหนึ่งชนิดที่สามารถทำงานได้กับวัสดุที่ถูกออกแบบขึ้นมา เปรียบเสมือน มีประตู 1 บาน และมีคนถือกุญแจเปิดประตูอยู่ 100 ล้านคน นักวิทยาศาสตร์ต้องให้คนเหล่านั้นพยายามไขประตูทีละคน จนกว่าจะเจอคนที่ถือกุญแจที่ไขประตูได้ เมื่อพบโปรตีนจากไวรัสที่สามารถจับกับวัสดุจำเพาะที่ต้องการได้ แล้วจึงเพิ่มจำนวนไวรัสเหล่านั้น

ขั้นตอนการคัดแยกโปรตีนจากไวรัส

เส้นยาวที่ลูกศรชี้คือบริเวณที่ไวรัสเข้าไปจับกับเลเซอร์ ชิป

ทีมวิจัยได้พัฒนาวิธีการที่จะคัดเลือกโปรตีนที่มีคุณสมบัติในการควบคุมการสร้างวัสดุขนาดเล็กที่จะพัฒนาเป็นองค์ประกอบทางอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคตได้ การทำงานวิจัยนี้ต้องอาศัยห้องปฏิบัติการที่มีความหลากหลาย เนื่องจากจำเป็นต้องอาศัยความรู้ทางด้าน สารอนินทรีย์ และวัสดุเคมี (inorganic and material chemistry)สารชีวภาพ (molecular biology) และ วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ (electrical engineering) งานวิจัยนี้จะเกิดขึ้นไม่ได้หากปราศจากความรู้ เหล่านี้
ในอนาคตการสร้างสิ่งต่าง ๆ ระดับนาโนเมตรจำเป็นต้องอาศัยหลักการเลียนแบบธรรมชาติ เช่นหลักการประกอบตัวเอง เนื่องจากมีความสะดวกและรวดเร็ว มีกระบวนการที่ไม่ซับซ้อน โดยเมื่อใส่วัตถุดิบลงไปรวมกัน วัตถุดิบจะทำการประกอบกันเป็นสิ่งที่เราต้องการได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องมือ อื่น ๆ มาจัดเรียง ทำให้เราสามารถสร้างสิ่งของต่าง ๆ ในระดับนาโนได้สะดวกและรวดเร็ว
จุดเริ่มต้นในการเลียนแบบธรรมชาตินั้นไม่ใช่เรื่องง่าย เนื่องจากธรรมชาติใช้เวลายาวนานเพื่อพัฒนากระบวนการที่ซับซ้อนเหล่านี้ แต่อย่างไรก็ตามตราบใดที่นักวิทยาศาสตร์ยังคงมีความพยายามแม้อาจจะต้องใช้ระยะเวลาอยู่บ้าง แต่สิ่งเหล่านี้ก็คงจะเกิดขึ้นในอนาคต ดังเช่น หลายสิ่งประดิษฐ์ที่เคยเป็นเพียงความคิดฝันในอดีตแต่ก็เกิดขึ้นจริงแล้วในปัจจุบัน

Update : 07-02-2008


Add a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *