ห้องปฏิบัติการวัสดุนาโนเฉพาะทางและโครงสร้างพื้นผิว

ห้องปฏิบัติการวัสดุนาโนเฉพาะทางและโครงสร้างพื้นผิว มุ่งเน้นการออกแบบและสังเคราะห์พอลิเมอร์และสารอินทรีย์ขนาดเล็กกึ่งตัวนำไฟฟ้า ซึ่งปัจจุบันนิยมนำมาใช้แทนสารกึ่งตัวนำแบบดั้งเดิมที่มีราคาสูง ความโดดเด่นของสารกึ่งตัวนำเหล่านี้คือสมบัติความเป็นพลาสติก นั่นคือ ความอ่อนตัว ยืดหยุ่น ความทนทาน และความสามารถในการขึ้นรูปด้วยวิธีการที่ไม่ยุ่งยาก เช่น การพิมพ์ด้วยระบบหมึกพิมพ์ หรือการพิมพ์สกรีน นอกจากนี้ พอลิเมอร์กึ่งตัวนำยังสามารถเตรียมเป็นฟิล์มบาง ซึ่งสามารถควบคุมให้มีความหนาเพียงหนึ่งโมเลกุล โดยมีลักษณะความเป็นเนื้อเดียวกันสูง มีความเป็นระเบียบ โมเลกุลไม่ซ้อนเกยกันหรือห่างกันจนเกินไป นอกจากนั้นยังสามารถเตรียมให้เป็นฟิล์มบางแบบหลายชั้นได้ ด้วยคุณสมบัติพิเศษเหล่านี้ทำให้พอลิเมอร์กึ่งตัวนำสามารถนำไปประยุกต์ตามวัตถุประสงค์การใช้งานที่ละเอียดอ่อนได้หลากหลาย เช่น เป็นส่วนประกอบของอุปกรณ์ตรวจวัด อุปกรณ์วินิจฉัยในทางการแพทย์ เซลล์แสงอาทิตย์ หรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กมาก เป็นต้น

สมาชิก

ชื่อ	ความเชี่ยวชาญ	ติดต่อ
ดร. อุดม อัศวาภิรมย์ (หัวหน้า)	Polymer Chemistry	udom@10.228.26.6
ดร. ชุลีกร โชติสุวรรณ	Material Chemistry	chuleekorn@10.228.26.6
นายอนุศิษย์ แก้วประจักร์	Applied Physics
นางสาวพิมพ์วิภา ปิยกุละวัฒน์	Chemistry
นายอรรถพล ศรีฟ้า	Chemical Engineering
นางสาวกานต์พิชชา จิรมิตรมงคล	Organic Chemistry

ผลงานเด่น

อนุภาคลาเทกซ์สีขนาดนาโนชนิดใหม่จากการเชื่อมต่อกันของโมเลกุลสีกับสายโซ่พอลิเมอร์ด้วยพันธะโควาเลนต์

สารที่ทำให้เกิดสีในอุตสาหกรรมสีมี 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ สีย้อมสังเคราะห์ (Synthetic dye) และสีผง (Pigment) สีย้อมสังเคราะห์เป็นสารอินทรีย์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ละลายได้ดีและกระจายตัวได้อย่างสม่ำเสมอในตัวกลาง สีของผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากสีย้อมสังเคราะห์จะสว่างสดใส แต่ความคงทนของสีต่อแสงต่ำ และเกิดการเคลื่อนย้ายโมเลกุลของสีได้ง่าย ส่งผลให้สีซีดจางเร็วและอาจเกิดการแพ้หรือความเป็นพิษต่อผู้ใช้งานได้ ในขณะที่สีผงเป็นสารอินทรีย์หรืออนินทรีย์ที่มีลักษณะเป็นอนุภาคขนาดเล็กและ ละเอียดมาก สีผงจะทนทานต่อความร้อนและแสงได้ดีกว่าสีย้อม แต่สีไม่สว่างสดใสเท่า

เพื่อรวมจุดเด่นของสีย้อมและสีผงไว้ด้วยกัน ได้มีการสังเคราะห์ลาเทกซ์สี (Colored latex) จากกระบวนการพอลิเมอร์ไรเซชั่น ลาเทกซ์สีที่สังเคราะห์ขึ้นจะประกอบไปด้วยอนุภาคของพอลิเมอร์ที่กักเก็บสี ไว้ภายใน หากแต่สีจะมีแรงดึงดูดกับพอลิเมอร์โดยปราศจากพันธะโควาเลนท์ (Non-covalent interaction) ทำให้โมเลกุลสีเคลื่อนย้ายออกจากอนุภาคพอลิเมอร์ได้ในเวลาต่อมา

ดร. อุดม อัศวาภิรมย์ นางสาวพิมพ์วิภา ปิยกุละวัฒน์  Mr. Joerg Wlosnewski จากห้องปฏิบัติการวัสดุนาโนเฉพาะทางและโครงสร้างพื้นผิว และดร. ดวงพร พลพานิช นางสาวรวีวรรณ ถิรมนัส จากห้องปฏิบัติการวัสดุนาโนเฉพาะทางและโครงสร้างพื้นผิว ได้ร่วมกันพัฒนาออกแบบและสังเคราะห์โมเลกุลอินทรีย์ชนิดใหม่ขึ้น ซึ่งมีหมู่อัลลิล (Allyl group) ที่ปลายของโมเลกุล หมู่ดังกล่าวสามารถทำปฏิกิริยาพอริเมอไรเซชั่นแบบเรดิคอล (Radical polymerization) กับไวนิลมอนอเมอร์ชนิดต่างๆ เกิดเป็นพอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างของโมเลกุลสีเชื่อมต่อกับสายโซ่พอลิเมอร์ ด้วยพันธะโควาเลนต์ ช่วยให้โมเลกุลสีไม่เคลื่อนย้ายออกจากอนุภาคลาเทกซ์

ต้นแบบอนุภาคลาเทกซ์สี

อนุภาคที่ได้มีขนาดประมาณ 100 นาโนเมตร ลาเทกซ์จึงมีสีสันสดใส เนื่องจากไม่เกิดการกระเจิงของแสงบนอนุภาค และโครงสร้างของโมเลกุลช่วยให้สีไม่ซีดจางเร็ว

ลาเทกซ์สีที่พัฒนาขึ้นนี้มีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมหลาก หลายด้าน เช่น การผลิตพลาสติกสี หมึกพิมพ์ เป็นต้น

งานวิจัยดังกล่าวยังได้ยื่นขอจดสิทธิบัตร 2 ฉบับ ภายใต้ชื่อการประดิษฐ์ “ลาเทกซ์สีและกระบวนการสังเคราะห์ลาเทกซ์สีดังกล่าว” เลขที่คำขอ 0901000619 และ “โมเลกุลสีจากอนุพันธ์ของ 1,4,5,8-แนฟทาลีนเตตระคาร์บอกซีลิคไดอิมิด และกรรมวิธีการสังเคราะห์โมเลกุลสีดังกล่าว” เลขที่คำขอ 0901000620 เมื่อวันที่ 13 กุมภาพันธ์ 2552

อุปกรณ์ตรวจวัดรังสีอัลตราไวโอเลทต้นทุนต่ำ

อุปสรรคสำคัญของการพัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัดรังสีอัลตราไวโอเลทที่พบในปัจจุบันคือกระบวนการผลิตที่มีความซับซ้อน และต้นทุนในการผลิตสูง เนื่องจากการปลูกสารฟิล์มบางภายใต้ระบบสุญญากาศ หรือ เทคโนโลยีการปลูกไมโครชิพต้องทำในระบบห้องสะอาด (clean room) เท่านั้น

ดังนั้นจึงเป็นเหตุผลที่เกิดแนวคิดด้านการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัดรังสีอัตราไวโอเลทต้นทุนต่ำขึ้น คณะผู้วิจัยจากสามหน่วยงาน อันได้แก่ ดร.อุดม อัศวาภิรมย์ นายรุ่งโรจน์ เมาลานนท์ นางสาวพิมพ์วิภา ปิยะกุลวัฒน และนายชินพัฒน์ ศรีโกมุท ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ ดร.สิรพัฒน์ ประโทนเทพ และนางสาวภัทรลักษณ์ ปักมัง วิทยาลัยนาโนเทคโนโลยีพระจอมเกล้าลาดกระบัง สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง ดร. ศุภนิจ พรธีระภัทร และนายอัมพร โพธิ์ใย ศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ ร่วมกันวิจัยพัฒนาวัสดุผสมระหว่างอนุภาคนาโนซิงค์ออกไซด์ซึ่งมีสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีของประจุลบ และพอลิเมอร์นำไฟฟ้าซึ่งมีสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าของประจุบวก เกิดเป็นอุปกรณ์ตรวจวัดรังสีรังสีอัลตราไวโอเลทต้นทุนต่ำ

หัวเซนเซอร์ตรวจวัดรังสี UV

หลักการทำงานของอุปกรณ์ตรวจวัดรังสีดังกล่าวคือ เมื่อวัสดุผสมนี้รับแสงในย่านอัลตราไวโอเลทจะเกิดประจุไฟฟ้าขึ้น จากนั้นจะเกิดการเปลี่ยนแปลงสมบัติการนำไฟฟ้าอย่างฉับพลัน ทำให้สามารถวัดเป็นสัญญาณการตอบสนองต่อรังสีอัลตราไวโอเลทได้ในที่สุด

จุดเด่นของงานวิจัยดังกล่าว คือ กรรมวิธีในการสร้างเป็นเซนเซอร์ที่ไม่ยุ่งยาก ด้วยเทคนิคการหยดเคลือบ โดยมิต้องกระทำภายใต้ระบบสุญญากาศ ทำให้สามารถลดต้นทุนการผลิตได้หลายเท่าตัว และสามารถประยุกต์ใช้กับฐานรองประเภทพลาสติกเพื่อสร้างเป็นอุปกรณ์พลาสติกอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ได้ต่อไปในอนาคต

เซนเซอร์ดังกล่าวยังมีความจำเพาะในการตอบสนองต่อรังสีอัลตราไวโอเลท และตอบสนองได้ดีแม้ในสภาวะความเข้มแสงต่ำ

คณะนักวิจัยได้พัฒนาเซ็นเซอร์ตรวจจับรังสีอัตราไวโอเลทต้นทุนต่ำนี้เป็นต้นแบบอุปกรณ์ตรวจวัดความเข้มของรังสีอัลตราไวโอเลทที่เกินระดับปลอดภัย 400 ไมโครวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร และส่งสัญญาณไฟเตือนเมื่อรังสีมีความเข้มเกินระดับ

งานวิจัยดังกล่าวได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรประเทศไทย ภายใต้ชื่อการประดิษฐ์ “วัสดุผสมอนุภาคนาโนซิงค์ออกไซด์และพอลิเมอร์สารกึ่งตัวนำสำหรับอุปกรณ์ตรวจวัดรังสีอัลตราไวโอเลท” เมื่อวันที่ 16 ตุลาคม 2552 เลขที่คำขอ 0901004648

ผลงานตีพิมพ์

– Anusit Keawprajak, Phimwipha Piyakulawat, Joerg Wlosnewski, Phansak Lamraksa, Chaiyuth Saekung, Udom Asawapirom, “TiOx Concentration Dependence of OPV Efficience Optimization” Advanced Materials Research, Vols. 93-94 (2010), pp 517-520.
– Chindaduang, A., Duangkeaw, P., Pratontep, S., Tumcharrn, G., “Polymer Electrolyte based on Dye-Sensitized Solar Cells: Rule of Multi-Walled Carbon Nanotubes”Advanced Materials Research, Vols. 93-94 (2010), pp 31-34.
– Anusit Keawprajak, Phimwipha Piyakulawat, Annop Klamchuen, Phansak Lamraksa, Udom Asawapirom, “Influence of crystallizable solvent on the morphology and performance of P3HT:PCBM bulk-heterojunction solar cells” Solar Energy Materials & Solar Cells, 94 (2010), pp 531–536.
– N. Grisdanurak, Y. Phuphuak, J. Wittayakun and K. Fukaya, “Effect of Ni Doping on Ce–Mg–O Nanosize Catalysts for CO Oxidation”, Journal of Chemical Engineering of Japan, Vol. 42,  s176–s179 (2009)
– K. Wantala, L. Laokiat, P. Khemthong, N. Grisdanurak and K. Fukaya, “Calcination temperature effect on solvothermal Fe-TiO₂ and its performance under visible light irradiation” Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers (2010).