นักศึกษามหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) รับรางวัลชนะเลิศ ถ้วยพระราชทานจากสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารีระดับอุดมศึกษาและบุคคลทั่วไป จากผลงาน “การเตรียมอนุภาคนาโนซิลิกาความบริสุทธิ์สูงที่มีสมบัติความไม่ชอบน้ำจากแกลบ (Fabrication of superhydrophobic high purity nanosilica from crop waste rice husk)” โดยนายกิตติธัช ธนสิวะวงษ์นักศึกษาชั้นปีที่ 4 ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ และรางวัลรองชนะเลิศอันดับ 2 ระดับอุดมศึกษาและบุคคลทั่วไป จากผลงาน “นวัตกรรมตัวขยายสัญญาณรามาน: อนุภาคนาโนเงินรูปสามเหลี่ยมที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับเทคนิคพื้นผิวขยายสัญญาณรามาน (Innovative Raman signal amplifier: Powerful silver nanoplates for surface – enhanced Raman scattering)” โดย นางสาวสุธาวี อิทธิพงศ์เมธี และนายศุภกร เดโช นักศึกษาชั้นปีที่ 4 ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ โดยมี ผศ.ดร.เขมฤทัย ถามะพัฒน์ เป็นที่ปรึกษางานวิจัยทั้ง 2 ผลงานในการประกวดนวัตกรรมนาโนเทคโนโลยี ครั้งที่ 9 จัดโดย วิทยาลัยนาโนเทคโนโลยีพระจอมเกล้าลาดกระบัง สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง
นายกิตติธัช ธนสิวะวงษ์ เล่าว่า แกลบเป็นของเหลือทิ้งจากภาคเกษตรกรรมในกระบวนการผลิตข้าว โดยเหลือทิ้งในปริมาณมากกว่า 7 ล้านตันต่อปี ปกตินิยมนำแกลบมาผลิตเป็นเชื้อเพลิงหรือแปรรูปเป็นพลังงานที่มีมูลค่าเพิ่มได้ เช่น การอัดให้เป็นแท่งเชื้อเพลิงแข็งเพื่อใช้แทนฟืนหรือถ่าน การแปรรูปเพื่อให้ได้ก๊าซและน้ำมัน และการแปรรูปเป็นก๊าซเชื้อเพลิง แต่เชื้อเพลิงที่ผลิตขึ้นมายังมีประสิทธิภาพต่ำเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงชนิดอื่น ๆ ทั้งยังก่อให้เกิดปัญหามลพิษ และเนื่องจากแกลบมีองค์ประกอบเป็นซิลิกาอยู่ในปริมาณมากจึงเลือกสังเคราะห์อนุภาคนาโนซิลิกา (nanosilica) จากแกลบโดยนำไปปรับสภาพให้มีสมบัติความไม่ชอบน้ำยิ่งยวด (superhydrophobic) อนุภาคนาโนซิลิกาที่ผ่านการปรับสภาพ สามารถนำไปเคลือบบนพื้นผิวของวัสดุต่าง ๆ เพื่อป้องกันความชื้น ป้องกันการเกิดไบโอฟิล์ม (biofilm) ป้องกันการยึดติดของแบคทีเรียบนพื้นผิว หรือเพิ่มคุณสมบัติการทำความสะอาดตัวเอง (self-cleaning) ให้กับผิววัสดุ เช่น ผิวกระจกที่เมื่อมีหยดน้ำมาสัมผัสจะกลายเป็นเม็ดกลมที่สามารถไหลบนพื้นผิวเพื่อทำความสะอาดคราบฝุ่นได้ นอกจากนั้นแล้วอนุภาคนาโนซิลิกาที่ไม่ได้ผ่านการปรับสมบัติพื้นผิวก็สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย เช่น เพิ่มความแข็งแรงของโครงสร้างวัสดุ
รูปแสดงอนุภาคนาโนซิลิกา (ซ้าย) และมุมสัมผัสของน้ำบนอนุภาคนาโนซิลิกาที่มีสมบัติไม่ชอบน้ำ (ขวา)
นางสาวสุธาวี อิทธิพงศ์เมธี เล่าถึงผลงานนวัตกรรมตัวขยายสัญญาณรามาน: อนุภาคนาโนเงินรูปสามเหลี่ยมที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับเทคนิคพื้นผิวขยายสัญญาณรามานว่า “เทคนิครามานสเปกโทรสโคปี (Raman spectroscopy) เป็นเทคนิคที่นิยมใช้ในการวิเคราะห์โครงสร้างองค์ประกอบของสาร เช่น การตรวจพิสูจน์สารตกค้างทางการเกษตร การตรวจพิสูจน์เชิงนิติวิทยาศาสตร์ และการตรวจพิสูจน์ทางการแพทย์ เป็นต้น โดยอาศัยหลักการกระเจิงของแสงที่สอดคล้องกับพันธะภายในโมเลกุลของสาร แต่เทคนิคนี้มีข้อจำกัด คือ ไม่สามารถวิเคราะห์องค์ประกอบของสารตัวอย่างที่มีปริมาณความเข้มข้นต่ำกว่า 100 ppm (trace compound) ได้ เทคนิคพื้นผิวขยายสัญญาณรามาน (surface-enhanced Raman scattering หรือ SERS) โดยอนุภาคนาโนโลหะ (nanometal) จึงถูกนำมาใช้ในการขยายสัญญาณรามาน จากการสั่นพ้องของอิเล็กตรอนที่ผิวของอนุภาคนาโนโลหะ (electron cloud) กับสนามไฟฟ้าของแสงที่เข้ามาตกกระทบ ช่วยให้ความเข้มสนามไฟฟ้าของแสงที่ตกกระทบสารตัวอย่างและแสงที่กระเจิงออกมาสูงขึ้น ดังนั้นอนุภาคนาโนโลหะที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอยู่มากจะช่วยขยายความเข้มสนามไฟฟ้าของแสงได้ดี ทางผู้ดำเนินโครงงานวิจัยจึงได้มีแนวคิดที่จะทำการสังเคราะห์อนุภาคนาโนโลหะที่มีลักษณะเป็นแผ่น (nanoplate) รูปสามเหลี่ยม เนื่องจากมีอิเล็กตรอนที่มุมแหลมของสามเหลี่ยมอยู่หนาแน่นเมื่อเทียบกับอนุภาคนาโนโลหะรูปร่างอื่นๆ จากการศึกษาพบว่าอนุภาคนาโนเงินรูปสามเหลี่ยม ขนาด 20-30 nm ที่สังเคราะห์ด้วยวิธีการทางแสง (photoconversion) ในช่วง 1.9-2.7 eV เป็นระยะเวลา 1 h จะสามารถขยายสัญญาณรามานของสารมาตรฐานโรดามีน 6 จี (Rhodamine 6 G หรือ R6G) ด้วยเทคนิค SERS ได้ดีถึง 1,961 เท่า เนื่องจากอนุภาคนาโนเงินรูปสามเหลี่ยมนี้มีการสั่นของอิเล็กตรอนที่ผิวของอนุภาคนาโนเงินในแนวแกนเดียว (dipole) และในสองแนวแกน (quadrupole) ในอัตราส่วนที่ใกล้เคียงกันจึงเสริมให้ความเข้มสนามไฟฟ้าของแสงสูงขึ้น อีกทั้งการเกาะกลุ่มกันของอนุภาค (aggregation) ทำให้อิเล็กตรอนอยู่กันอย่างหนาแน่นและเกิดเป็นจุดขยายสัญญาณรามาน (hotspot) จากที่ได้กล่าวมาทั้งหมดในข้างต้นจึงนำไปสู่การพัฒนาเป็นนวัตกรรมตัวขยายสัญญาณรามานโดยใช้อนุภาคนาโนเงินรูปสามเหลี่ยมในรูปแบบของคอลลอยด์สำหรับเทคนิคพื้นผิวขยายสัญญาณรามาน”
รูปแสดงอนุภาคนาโนเงินรูปสามเหลี่ยม (ซ้าย) และการขยายสัญญาณรามานของ R6G สำหรับเทคนิค SERS (ขวา)
