กรุงเทพฯ--27 ก.พ.--ไอบีเอ็ม
นักวิทยาศาสตร์ไอบีเอ็มเผยความสำเร็จในการวัดแรงที่ใช้เคลื่อนย้ายอะตอมได้เป็นรายแรกของโลก ความก้าวหน้าในการก่อสร้างระดับนาโนส่งผลกระทบต่อทิศทางเทคโนโลยีสารสนเทศในอนาคต
คณะนักวิทยาศาสตร์ของไอบีเอ็ม ประสบความสำเร็จในการวัดแรง (Force) ที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายแต่ละอะตอมบนพื้นผิวได้เป็นรายแรกของโลก ซึ่งการค้นพบการวัดค่าพื้นฐานนี้จะให้ข้อมูลสำคัญสำหรับการออกแบบอุปกรณ์ระดับอะตอมในอนาคต เช่น ชิปคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์สตอเรจขนาดย่อส่วน และอื่นๆ อีกมากมาย
เมื่อวันที่ 29 กันยายน 2532 ดอน ไอก์เลอร์ หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ไอบีเอ็มแห่งศูนย์วิจัยอัลมาเดน (Almaden Research Center) ของไอบีเอ็ม ในเมืองซานโฮเซ่ ได้พลิกโฉมหน้าประวัติศาสตร์ของความสามารถของมนุษย์ในการสร้างโครงสร้างขนาดเล็ก โดย ดร.ไอก์เลอร์ ได้สาธิตการบังคับควบคุมอะตอมแต่ละอะตอมด้วยความแม่นยำ และเขาได้เขียนตัวอักษร I-B-M โดยใช้อะตอมซีนอน (Xenon) ได้เป็นครั้งแรก ซึ่งนับเป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่เทียบเท่ากับการที่พี่น้องตระกูลไรท์นำเครื่องบินเหินเวหาได้เป็นครั้งแรกที่เมืองคิตตี้ฮอว์ค
ปัจจุบัน ความสำเร็จของคณะนักวิจัยที่ศูนย์วิจัยอัลมาเดนได้เกิดขึ้นอีกครั้งหนึ่ง ด้วยความร่วมมือจากมหาวิทยาลัยรีเจนส์เบิร์ก ด้วยพัฒนาการก้าวสำคัญในการวัดค่าแรงเพียงน้อยนิดที่ใช้ในการบังคับควบคุมอะตอม
ความเข้าใจเรื่องแรงที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายแต่ละอะตอมบนพื้นผิวที่เฉพาะเจาะจงนับเป็นหนึ่งในปัจจัยที่สำคัญสำหรับการออกแบบและสร้างโครงสร้างขนาดเล็กที่จะรองรับนาโนเทคโนโลยีในอนาคต กรณีนี้คล้ายกับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจำเป็นต้องเรียนรู้เกี่ยวกับงานก่อสร้างขนาดใหญ่เมื่อหลายสิบปีที่แล้ว ตัวอย่างเช่น ในการสร้างสะพานที่ทันสมัย เราจำเป็นที่จะต้องวัดความแข็งแรงของวัสดุชนิดต่างๆ รวมทั้งเข้าใจเกี่ยวกับแรงต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง และเข้าใจว่าทุกสิ่งทุกอย่างมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร ส่วนในโลกของนาโนเทคโนโลยีนั้น เมื่อคุณต้องการสร้างโครงสร้างที่ยึดติดอยู่กับที่อย่างมั่นคง คุณจะต้องใช้อะตอมที่เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา แต่สำหรับกลุ่มอะตอมที่เคลื่อนไหวได้ คุณจะต้องใช้อะตอมที่เชื่อมโยงกันอย่างหลวมๆ ในทางเคมี
“ผลการวิจัยในครั้งนี้ให้ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับโครงสร้างระดับอะตอม และอาจปูทางไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลและหน่วยความจำรุ่นใหม่ๆ” แอนเดรียส เฮนริช หัวหน้าคณะนักวิทยาศาสตร์ในห้องปฏิบัติการกล้องจุลทรรศน์สำหรับตรวจสอบการจัดเรียงตัวอะตอมของสสาร (Scanning Tunneling Microscopy) ที่ศูนย์วิจัยอัลมาเดนของไอบีเอ็มกล่าว “ภารกิจของเราคือการสร้างรากฐานสำหรับสิ่งที่อาจกลายเป็นธุรกิจการก่อสร้างระดับนาโนของไอบีเอ็มในอนาคต”
จากรายงานเรื่อง “แรงที่จำเป็นในการเคลื่อนย้ายอะตอมบนพื้นผิว” (The Force Needed to Move an Atom on a Surface) คณะนักวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่า แรงที่จำเป็นต้องใช้ในการเคลื่อนย้ายอะตอมโคบอลต์บนพื้นผิวแพลตินั่มที่ราบเรียบคือ 210 พิโคนิวตัน ในขณะที่การเคลื่อนย้ายอะตอมโคบอลต์บนพื้นผิวทองแดงใช้แรงเพียงแค่ 17 พิโคนิวตัน เพื่อให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น ลองนึกภาพว่าในการยกเหรียญเพนนีที่ทำจากทองแดง ซึ่งหนักเพียง 3 กรัม จะต้องใช้แรงเกือบ 30,000 ล้านพิโคนิวตัน ซึ่งมากกว่า 2,000 ล้านเท่าเมื่อเทียบกับแรงที่ใช้ในการย้ายอะตอมโคบอลต์หนึ่งอะตอมบนพื้นผิวทองแดง
ความรู้ในเรื่องนี้จะช่วยเพิ่มความเข้าใจในเรื่องกระบวนการระดับอะตอม ซึ่งถือเป็นหัวใจสำคัญของโครงการนาโนเทคโนโลยีในอนาคต ทั้งยังช่วยส่งเสริมความก้าวหน้าในการพัฒนาระบบประมวลผลและอุปกรณ์ทางการแพทย์ในระดับนาโน ทั้งนี้ กฎของมัวร์ (Moore’s Law) ระบุว่า ทรานซิสเตอร์จะมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ และจำนวนทรานซิสเตอร์ที่ติดตั้งบนแผงวงจรรวมจะเพิ่มขึ้นสองเท่าทุกๆ ช่วงเวลาหนึ่ง การลดขนาดของทรานซิสเตอร์จะช่วยลดการใช้พลังงาน แต่ในขณะเดียวกันก็จะช่วยเพิ่มความเร็วในการประมวลผลและลดค่าใช้จ่ายควบคู่กันไปด้วย หนึ่งในความท้าทายที่สำคัญที่สุดสำหรับอุตสาหกรรมไอทีก็คือ การค้นหาวิธีการออกแบบและการผลิตที่ช่วยให้วงการอุตสาหกรรมสามารถลดขนาดอุปกรณ์เหล่านี้ให้เล็กลงเรื่อยๆ
ในการลดขนาดอุปกรณ์เหล่านี้จนถึงขีดจำกัดต่ำสุด นั่นคือ มีขนาดเพียงแค่ไม่กี่อะตอมเท่านั้น จำเป็นที่จะต้องใช้วิธีการออกแบบและการผลิตที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ความสามารถในการวัดแรงที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายอะตอมจะช่วยบุกเบิกแนวทางใหม่ในการประกอบสร้างทีละอะตอม รวมถึงการใช้งานอุปกรณ์นาโนในอนาคต
ความเข้าใจเรื่องแรงที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายอะตอม
เมื่อ 50 ปีที่แล้ว ริชาร์ด เฟนแมน ซึ่งได้รับรางวัลโนเบล ตั้งคำถามว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากเราสามารถจัดวางอะตอมในตำแหน่งที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ ความฝันดังกล่าวได้กลายเป็นจริงแล้ว และในปัจจุบัน “การบังคับควบคุมอะตอม” ถูกใช้งานอย่างกว้างขวางในงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการสร้าง ตรวจสอบ และควบคุมวัตถุต่างๆ ในระดับอะตอม อย่างไรก็ตาม ก่อนหน้านี้ ยังไม่มีใครสามารถตอบคำถามพื้นฐาน นั่นคือ “ต้องใช้แรงมากเท่าใดในการเคลื่อนย้ายอะตอมบนพื้นผิวหนึ่งๆ?”
ในรายการที่จัดพิมพ์ครั้งนี้ คณะนักวิจัยได้อธิบายเกี่ยวกับการใช้กล้องจุลทรรศน์สำหรับตรวจสอบแรงในระดับอะตอม (Atomic Force Microscope - AFM) ซึ่งมีความไวสูง เพื่อตรวจวัดทั้งความแข็งแรงและทิศทางของแรงที่ใช้กับอะตอมหรือโมเลกุลหนึ่งๆ บนพื้นผิว โดยใช้โลหะปลายแหลมในการเคลื่อนย้ายอะตอม ทีมงานพบว่าค่าแรงจะแตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้เป็นพื้นผิว นอกจากนี้ ปริมาณแรงยังเปลี่ยนแปลงอย่างมาก เมื่อมีการใช้โมเลกุลขนาดเล็ก แทนที่จะใช้อะตอม
ความสำเร็จในครั้งนี้เป็นผลมาจากการวัดค่าแรงอย่างละเอียด และการเคลื่อนย้ายอะตอมอย่างแม่นยำและมั่นคง โดยนับเป็นการพัฒนาต่อยอดจากความก้าวหน้าของไอบีเอ็มในเรื่องกล้องจุลทรรศน์ AFM ซึ่งเป็นผลงานการพัฒนาเมื่อ 20 ปีที่แล้วของ เกิร์ด บินนิก ผู้ได้รับรางวัลโนเบลและหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ไอบีเอ็ม รวมทั้งคริสตอฟ เกอร์เบอร์ นักวิทยาศาสตร์ของไอบีเอ็ม และศาสตราจารย์แคลวิน เควท แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด
กล้องจุลทรรศน์ AFM ใช้หัววัด (Tip) ที่เรียวแหลมซึ่งติดตั้งไว้บนก้านเล็กๆ ที่ยืดหยุ่น คล้ายกับสปริงบอร์ด เพื่อวัดปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างหัววัดกับอะตอมบนพื้นผิว ในงานปัจจุบัน ก้านที่ยืดหยุ่นนี้ที่จริงแล้วก็คือส้อมเสียง (Tuning Fork) ขนาดย่อส่วนที่ทำจากควอทซ์ ซึ่งพบเห็นได้ทั่วไปในนาฬิกาและนาฬิกาข้อมือ เมื่อหัววัดนี้ถูกเคลื่อนเข้าไปใกล้กับอะตอมบนพื้นผิว ความถี่ของส้อมเสียงก็จะเปลี่ยนไปเล็กน้อย ค่าความถี่ที่เปลี่ยนไปนี้จะถูกนำไปวิเคราะห์เพื่อระบุถึงปริมาณแรงที่ใช้กับอะตอมนั้นๆ “นับเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมากที่ได้เห็นเครื่องมือนี้ ซึ่งใช้ส้อมเสียงที่มีอยู่ในนาฬิกาข้อมือทั่วไป สามารถวัดแรงระหว่างแต่ละอะตอม” ศาสตราจารย์ฟรานซ์ กิสซิบล์ แห่งมหาวิทยาลัยรีเจนส์เบิร์ก กล่าว
เกี่ยวกับไอบีเอ็มและนาโนเทคโนโลยี
ไอบีเอ็มเป็นผู้บุกเบิกในเรื่องนาโนเทคโนโลยี โดยผลงานมากมายของไอบีเอ็มช่วยเสริมสร้างความก้าวหน้าทางด้านนาโนเทคโนโลยี เช่น การประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ Scanning Tunneling Microscope (STM) ซึ่งสามารถแสดงภาพของแต่ละอะตอม การจัดเรียงอะตอมได้เป็นรายแรกของโลก และการผนวกรวมชั้นวัสดุที่มีความหนาน้อยกว่าระดับนาโนเมตรไว้ในหัวบันทึกฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ที่มีการผลิตเป็นจำนวนมากในเชิงพาณิชย์ รวมถึงสารเคลือบดิสก์แม่เหล็ก ผลงานวิจัยทางด้านนาโนเทคโนโลยีของไอบีเอ็มในปัจจุบันมีจุดมุ่งหมายเพื่อประดิษฐ์คิดค้นโครงสร้างใหม่ๆ ในระดับอะตอมและโมเลกุล รวมทั้งวิธีการใหม่ๆ ในการปรับปรุงเทคโนโลยีสารสนเทศ และค้นพบและทำความเข้าใจเกี่ยวกับรากฐานทางวิทยาศาสตร์ ทั้งนี้ ท่อนาโนคาร์บอน (Carbon Nanotube) และหัวสแกน ซึ่งเป็นผลงานที่พัฒนาต่อยอดมาจากกล้องจุลทรรศน์ AFM และ STM แสดงให้เห็นถึงความมุ่งมั่นของไอบีเอ็มในการปรับปรุงวงจรและอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลสำหรับอนาคต
หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับไอบีเอ็ม โปรดเยี่ยมชม www.ibm.com
เผยแพร่โดยบริษัท ไอบีเอ็ม ประเทศไทย จำกัด
กุลวดี โอฬารพันธุ์สกุล โทรศัพท์: 02-273-4013 อีเมล: kulwade@th.ibm.com