ฟิล์มบางอัจฉริยะ (Smart thin films)

2-glass-slide

ฟิล์มบางอัจฉริยะ (Smart thin films)

ผศ.ดร.สิริลักษณ์  เจียรากร

 

ฟิล์มบางอัจฉริยะ คือวัสดุที่เคลือบด้วยสารนาโนที่มีสมบัติพิเศษ สามารถดูดกลืนและสะท้อนรังสีในช่วงคลื่นต่างๆ ที่ต้องการใช้งาน เช่น ฟิล์มสะท้อนรังสีความร้อน ฟิล์มทำความสะอาดตนเอง หรือฟิล์มบำบัดมลพิษ ฟิล์มที่สามารถเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า เป็นต้น  ฟิล์มนาโนซิลเวอร์ไทเทเนียมไดออกไซด์เอ็มซีเอ็มสี่หนึ่ง (Nano Ag-TiO2-MCM-41 film) หนึ่งในตัวอย่างของฟิล์มบางอัจฉริยะที่สามารถนำมาใช้ในงานบำบัดมลพิษอากาศได้

ในการพัฒนาไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) ฟิล์มเคลือบบนกระจกได้มีการสังเคราะห์และนำมาใช้อย่างกว้างขวางกับงานทางด้านสิ่งแวดล้อม เนื่องจากสมบัติพิเศษในการสะท้อนรังสีความร้อนไม่ให้เข้าสู่ตัวอาคาร และสามารถทำความสะอาดตัวเองได้เมื่อได้รับแสงยูวี โดยจะกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงระดับชั้นพลังงานของอิเล็คตรอนจากชั้น Valence band ไปสู่ชั้น Conduction band ทำให้เกิดอิเล็คตรอน (e- ) และ โฮลด์ (h+) ซึ่งเมื่อเกิดปฏิกิริยาร่วมกับน้ำและออกซิเจนจะกลายเป็นสารออกซิไดซ์ ที่สามารถนำไปใช้ในปฏิกิริยาเพื่อบำบัดมลพิษได้ แต่เนื่องจากภายในตัวอาคารมีการใช้หลอดฟลูออเรสเซนต์เป็นแหล่งกำเนิดแสงหลักซึ่งเป็นคลื่นแสงที่อยู่ในช่วงคลื่นวิสิเบิลที่มีพลังงานต่ำกว่าช่วงคลื่นยูวี ดังนั้นผู้วิจัยจึงได้ทำการปรับปรุงวัสดุไทเทเนียมไดออกไซด์โดยทำการฝังซิลเวอร์ร่วมกับไทเทเนียมไดออกไซด์ (Ag/TiO2) เพื่อให้ปฏิกิริยาโฟโตคะตะลิสเกิดขึ้นได้ภายใต้ช่วงแสงวิสิเบิล ซึ่งนอกจากจะเป็นการพัฒนาวัสดุให้มีความเหมาะสมกับการใช้งานได้จริงกับภายในตัวอากาศอาคารได้แล้ว วัสดุ Ag/TiO2 ยังสามารถช่วยยับยั้งการเกิดเชื้อแบคทีเรียและเชื้อโรคอื่นๆ รวมถึงการบำบัดสารอินทรีย์ที่ระเหยง่ายอันเป็นต้นเหตุของมลพิษทางอากาศภายในอาคารได้อีกด้วย และแนวคิดอีกประการคือ ผู้วิจัยต้องการเพิ่มพื้นที่ในการเกิดปฏิกิริยาให้กับวัสดุ โดยทำการสังเคราะห์วัสดุนาโนซิลิกา MCM-41 ซึ่งเป็นวัสดุดูดซับที่มีพื้นที่ผิวสูงถึง 800 ตารางเมตรต่อกรัม มีการจัดเรียงโครงสร้างอย่างเป็นระเบียบ และสามารถเตรียมได้เองจากแกลบข้าวมาสังเคราะห์ร่วมกับสาร Ag/TiO2 และนำมาเคลือบบนฟิล์ม โดยการผสมวัสดุร่วมกันนี้สามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเกิดปฏิกิริยาของ TiO2 ให้สูงขึ้นได้ด้วยกลไกการดูดซับร่วมกับปฏิกิรยาโฟโตคะตะไลสิส เพื่อใช้บำบัดสารอินทรีย์ที่ระเหยได้ในกลุ่ม BTEX และต่อต้านเชื้อแบคทีเรียภายใต้แสงวิสิเบิล

ฟิล์มนาโน Ag/TiO2/MCM-41 มีสมบัติในการสะท้อนรังสีความร้อนและทำความสะอาดตัวเองได้ ด้วยลักษณะความเป็น Super-hydrophilicity ทำให้วัสดุนี้สามารถดูดซับโมเลกุลของน้ำและบำบัดมลพิษในอากาศที่มีสภาวะความชื้นได้ดี โดยทำการดูดกลืนคลื่นแสงที่อยู่ในช่วง UVA และ visible ซึ่งเป็นช่วงแสงที่เกิดขึ้นในธรรมชาติเกิดเป็นสารโฟโตคะตะลิสสามารถกำจัดสารอินทรีย์ระเหยง่าย เช่น สารในกลุ่ม BTEX ซึ่งเป็นสารก่อมะเร็งที่พบมากภายในอาคารสำนักงาน และนอกจากนี้ ฟิล์มนี้ยังมีสมบัติพิเศษในการยับยั้งการเติบโตของเชื้อแบคทีเรียและจุลชีพในอาคารได้ อันเป็นสาเหตุของโรคต่างๆ

1ewe

การทดสอบหาคุณสมบัติความมีขั้วจากการหยดน้ำลงบนพื้นผิวของกระจกธรรมดาและกระจกที่เคลือบด้วยฟิล์มบางอัจฉริยะ จากรูปจะเห็นได้ว่าน้ำที่หยดลงบนพื้นผิวของฟิล์มบางอัจฉริยะจะมีมุมที่ต่ำมาก แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติความชอบน้ำสูง ดังนั้นเมื่อฟิล์มนี้อยู่ในสภาพอากาศทั่วไป อย่างเช่นกรณีที่ถูกฝนหรือเปียกน้ำ ฟิล์มจะไม่เกิดคราบหรือเป็นลายน้ำ ทำให้วัสดุฟิล์มยังคงอายุการใช้งานได้นานโดยที่ไม่ต้องทำความสะอาด เป็นต้น ดังจะเห็นได้ว่าทิศทางการพัฒนาฟิล์มบางอัจฉริยะจะเน้นไปที่การประยุกต์ใช้งานในชีวิตประจำวันมากขึ้น ในอนาคตอันใกล้คาดว่าจะมีตัวอย่างการนำฟิล์มบางอัจฉริยะมาใช้กันอย่างแพร่หลาย ไม่ว่าจะเป็นระบบบำบัดมลพิษในเครื่องฟอกอากาศ แผ่นสติ๊กเกอร์ที่สามารถบำบัดมลพิษได้ เป็นต้น