เทคโนโลยีโซล-เจล

หากกล่าวถึงวิทยาศาสตร์ คนทั่วไปคงนึกภาพนักวิทยาศาสตร์กำลังทำการทดลองเกี่ยวกับสารเคมีอะไรบางอย่างอยู่ ซึ่งเป็นการหลีกเลี่ยงไม่ได้ว่าการทดลองทางวิทยาศาสตร์ใดๆก็ตามย่อมมีความเกี่ยวข้องกับสารเคมีไม่ทางตรงก็ทางอ้อมอยู่แล้ว ความจริงแล้วมนุษย์อยู่กับสารเคมีมาตั้งแต่เกิดจนตายเพราะสารเคมีนั้นอยู่รอบตัวซึ่งมีทั้งเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติหรือผ่านการสังเคราะห์ขึ้นมา นักวิทยาศาสตร์มีความจำเป็นจะต้องสังเคราะห์สารชนิดใหม่ขึ้นมาอยู่ตลอดเวลาเพื่อนำไปใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ปัจจุบันความก้าวหน้าของวิทยาการทางวิทยาศาสตร์ทำให้เกิดองค์ความรู้ใหม่ๆขึ้นอยู่ตลอดเวลา หนึ่งในนั้นคือนาโนเทคโนโลยี ซึ่งได้เข้ามามีบทบาทสำคัญในแวดวงวิทยาศาสตร์เกือบทุกแขนง โดยนักวิทยาศาสตร์พยายามหาเทคนิคหรือวิธีการใหม่ๆในการสังเคราะห์สารในระดับนาโนเมตร เพื่อให้วัสดุหรือสารนั้นแสดงสมบัติพิเศษออกมา ยกตัวอย่างเช่น อนุภาคนาโนของธาตุเงินหรือนาโนซิลเวอร์มีพื้นที่ผิวในการสัมผัสเพิ่มมากขึ้นทำให้เพิ่มประสิทธิภาพในการกำจัดเชื้อโรค เป็นต้น

          การคิดค้นวิธีสังเคราะห์สารเคมีใหม่ๆให้เป็นไปตามวัตถุประสงค์ที่ต้องการนั้นถือเป็นความท้าทายสำหรับนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก โดยทั่วไปมีหลากหลายวิธีในการสังเคราะห์สาร หนึ่งในวิธีการที่นิยมใช้คือ วิธีเทคนิคโซล-เจล ซึ่งจัดได้ว่าเป็นวิธีการสังเคราะห์สารทางเคมีวิธีหนึ่งซึ่งมีประสิทธิภาพสูงและต้นทุนค่าใช้จ่ายต่ำ นอกจากนี้ยังได้ผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายแบบ เช่น ไฟเบอร์, แอโรเจล, ซีโรเจล, ฟิล์มบาง และแบบผง ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้หลากหลายรูปแบบทั้งในเชิงอุตสาหกรรมและห้องปฏิบัติการ โดยทั่วไปกระบวนการโซล-เจล สามารถแบ่งได้เป็น 4 ขั้นตอน ดังนี้

1. Hydrolysis – เป็นการผสมสารตั้งต้นเข้ากับน้ำ โดยทั่วไปสารตั้งต้นในกระบวนการนี้จะนิยมใช้เป็นสารประกอบโลหะหรือกึ่งโลหะที่ล้อมรอบด้วยลิแกนด์ที่ไวต่อการเกิดปฏิกิริยา เรียกว่า Metal Alkoxide
2. Condensation – ปฏิกิริยานี้จะเกิดขึ้นควบคู่กันไปกับ Hydrolysis ซึ่งหลังจากนี้ไปสารจะเริ่มแปรสภาพเป็น sol และ gel
3. Drying – เปรียบเสมือนการระเหยเอาโมเลกุลของตัวทำละลายออกไปด้วยอุณหภูมิความร้อนที่ไม่สูงมาก เป็นผลทำให้อนุภาคที่เหลืออยู่เคลื่อนที่เข้าใกล้กันมากขึ้นและเป็นการลดขนาดของปริมาตรลง (Volume Reduction)
4. Sintering – เป็นกระบวนการเผาขึ้นรูปวัสดุที่อุณหภูมิสูง โดยกระบวนการนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเปลี่ยนอนุภาคที่มีขนาดเล็กให้เป็นวัสดุชิ้นเดียวโดยใช้ความร้อนเผา

          ยกตัวอย่างเช่น การสังเคราะห์วัสดุทดแทนกระดูกด้วยวิธีโซล-เจล โดยทั่วไปโครงสร้างภายในของกระดูกเป็นโครงสร้างระดับนาโนของสารประกอบธาตุแคลเซียมและฟอสฟอรัสเป็นหลักและจัดเป็นวัสดุประเภทเซรามิกส์ เป็นต้น

          กล่าวโดยสรุปคือ กระบวนการโซล-เจล ถูกจัดเป็นเทคนิคหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการสังเคราะห์สารที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะในกระบวนการผลิตเซรามิกส์ทั่วไปรวมถึงวัสดุนาโน ซึ่งสามารถสรุปกระบวนการโซล-เจลได้ดังรูปข้างล่างนี้

ที่มาของภาพ : ภาสิต หงษ์ทอง, ผลของอุณหภูมิต่อการหาลักษณะเฉพาะของฟิล์มไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่เตรียมโดยวิธีโซล-เจล, วิทยานิพนธ์ปริญญามหาบัณฑิต ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

ที่มาของแหล่งข้อมูล : ภาสิต หงษ์ทอง, ผลของอุณหภูมิต่อการหาลักษณะเฉพาะของฟิล์มไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่เตรียมโดยวิธีโซล-เจล, วิทยานิพนธ์ปริญญามหาบัณฑิต ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

แหล่งค้นคว้าเพิ่มเติม

-https://www2.mtec.or.th/th/e-magazine/admin/upload/274_19_51.pdf

- https://www.intechopen.com/books/sol-gel-method-design-and-synthesis-of-new-materials-with-interesting-physical-chemical-and-biological-properties/introductory-chapter-a-brief-semblance-of-the-sol-gel-method-in-research