อัตโตเทคโนโลยี (attotechnology)
 

วงการวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักมานานพอสมควรแล้วว่า ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ในบางสาขา ได้พึ่งพาอาศัยเทคโนโลยีการถ่ายภาพมาตั้งแต่ในอดีต และจะพึ่งพาต่อไปอีกนานในอนาคต และในขณะเดียวกัน ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีด้านการถ่ายภาพ ก็ต้องอาศัยวิทยาศาสตร์เช่นกัน
ในอดีตเมื่อประมาณ 500 ปีมาแล้ว ขณะที่กล้องถ่ายรูปยังไม่มี เวลา Vesalius ต้องการจะสอนวิชากายวิภาคศาสตร์ เขาต้องให้ลูกศิษย์ซึ่งเป็นจิตรกรที่มีชื่อเสียงมากชื่อ Titian วาดภาพแสดงอวัยวะภายในต่างๆ ของคนเพื่อให้นักศึกษาแพทย์เรียน นี่คือการนำศิลปะมาใช้ในการพัฒนาวิชาแพทยศาสตร์

ในปี พ.ศ. 2383 W.H.F. Talbot ได้พยายามจะวาดทิวทัศน์ที่สวยงาม ในบริเวณทะเลสาบ Como ของอิตาลี แต่เมื่อเขาพบว่า ถึงเขาจะพยายามวาดสักเพียงใด ภาพที่ได้ก็ไม่สวยเหมือนของจริง เขาจึงคิดหาวิธีทำให้ภาพที่เห็นด้วยตาปรากฎลงบนแผ่นกระดาษอย่างถาวร ความประสงค์ของ Talbot ลักษณะนี้ ได้นำให้เขาประดิษฐ์ฟิลม์ถ่ายรูปขึ้นมา Talbot จึงได้ชื่อว่าเป็นบิดาของวิทยาการถ่ายภาพ และนับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา นักวิทยาศาสตร์ก็ได้ใช้เทคโนโลยีด้านนี้ ในการดูและศึกษาธรรมชาติ เช่นในปี พ.ศ. 2385 J.W. Draper ได้ใช้เทคนิคการถ่ายภาพร่วมกับกล้องโทรทรรศน์ ถ่ายภาพดวงจันทร์ได้เป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2401 G.P. Bond ก็สามารถถ่ายภาพดาวพฤหัสบดีได้เป็นครั้งแรกเช่นกัน ในปี 2423 D.Gill สามารถถ่ายภาพดาวหาง Great Gomet ได้ แต่นอกจากจะเห็นดาวหางอื่น ๆ ที่ตาไม่สามารถมองเห็นได้อีกจำนวนพัน ความจริงนี้ทำให้ Gill ตระหนักได้ว่า เขาใช้เทคนิคการเปิดหน้ากล้องนาน ๆ อย่างไม่รู้ตัว

แต่ในการสังเกตดูการเคลื่อนที่ที่เร็วมาก เช่น การวิ่งของเสือซีตาร์ หรือกระสุนปืนที่กำลังพุ่งไปในอวกาศ นักวิทยาศาสตร์ต้องใช้เทคนิค ปิด-เปิดหน้ากล้องเร็ว เช่น ในปี พ.ศ. 2394 Thomas Skaifeได้ถ่ายภาพกระสุนปืน โดยเปิดหน้ากล้องนาน 1/50 วินาที หรือในปี พ.ศ. 2421 เมื่อ E.Muybrige ต้องการถ่ายภาพม้าที่กำลังวิ่ง เพื่อศึกษาดูว่า ม้าใช้เท้าและขาในการวิ่งอย่างไร กล้องของเขามีความเร็ว 1/120 วินาที และเขาก็ได้พบว่า ในบางเวลาขาม้าทั้ง 4 ขา จะลอยไม่ติดพื้นเลย นี่เป็นความรู้ที่มนุษย์ไม่เคยรู้มาก่อน เพราะตามนุษย์ไม่ไวพอจะเห็นเหตุการณ์ที่เร็วมากได้ แต่การถ่ายภาพสามารถช่วยให้เราเห็นเหตุการณ์ที่เกิดเร็วภายในเวลา 0.01 วินาทีได้
วันเวลา 120 ปีที่ผ่านไป ความสนใจของนักวิทยาศาสตร์ได้เพิ่มทวีขึ้นมากแสนมาก เช่น อยากรู้ความเร็วของปฎิกิริยาเคมี หรืออยากรู้เวลาที่อิเล็กตรอนขยับเคลื่อนในอะตอม เป็นต้น และก็เป็นที่น่าตื่นเต้น ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 24 ตุลาคมที่ผ่านมานี้ M.Drescher แห่งมหาวิทยาลัย Bielifeld ในเยอรมนี และ Ference Krauz แห่ง Vienna University of Technology ได้รายงานการค้นพบเทคโนโลยีที่นำโลกเข้าสู่ยุคอัตโตแล้ว
คุณผู้อ่านคงเคยชินกับคำว่า นาโนเทคโนโลยี ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับสสารที่มีขนาด0.000000001 เมตร หรือเวลา 0.000000001 วินาที แต่นอกจากวิทยาศาสตร์นาโนแล้ว เรายังมีวิทยาศาสตร์เฟ็มโต ซึ่งเกี่ยวข้องกับเวลาที่นาน 0.000000000000001 วินาที และ ณ วันนี้ เราก็มี attotechnology ซึ่งเป็นวิทยาการที่ศึกษาระบบที่ใช้เวลาสั้นมาก คือนานเพียง 0.000000000000000001 วินาที เท่านั้นเอง

ภาพของหยดน้ำที่แสดงประกอบบทความนี้ เป็นภาพที่ถ่ายด้วยกล้องถ่ายภาพความไวสูง การปิด-เปิดหน้ากล้องอย่างรวดเร็ว ทำให้เราเห็นภาพของหยดน้ำลอยนิ่งในอากาศได้ แต่ถ้าเราจะถ่ายภาพกระสุนปืน เราต้องเปิดปิดหน้ากล้องเร็วขึ้น ภาพของกระสุนปืนจึงจะชัด ทั้งนี้เพราะกระสุนปืนมีความเร็วสูงกว่าหยดน้ำนั่นเอง

ในปี พ.ศ. 2542 Ahmed Zewail แห่ง California Institure of Technology ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี จากการพบวิธีศึกษาปฏิกิริยาเคมีและฟิสิกส์ ที่ใช้เวลาน้อยระดับเฟ็มโต (femto) โดยเขาปล่อยแสงเลเซอร์ให้ออกมาเป็นช่วง ๆ (pulse) ที่นาน 20-60 เฟ็มโตวินาที ซึ่งแสงเลเซอร์ที่ถูกปลดปล่อยเป็นช่วงนั้น มีความยาวเพียง 0.01 มิลลิเมตรเท่านั้นเอง และเมื่อแสงนี้ตกกระทบโมเลกุลๆ จะดูดกลืนแสง ทำให้ระยะห่างระหว่างอะตอมในโมเลกุลนั้นยืดออก และ Zewail ก็ได้พบว่า ถ้าเขาฉายแสงที่มีความยาวคลื่นแตกต่างจากเดิม ซ้ำเข้าไปอีกในทันทีทันใด ระยะห่างระหว่างอะตอมไม่หดสั้นกลับคืนสู่สภาพเดิม แต่อะตอมจะถูกยึดแน่นจนขยับตัวไปไหนมาไหนไม่ได้ ด้วยวิธีนี้ Zweail จึงสามารถศึกษาการเคลื่อนไหวของอะตอมในโมเลกุลได้
ถึงแม้เทคนิคของ Zewail จะดีเลิศประเสริฐศรีสักปานใด แต่นักฟิสิกส์ก็มิสามารถจะนำเทคนิคดังกล่าวมาถ่ายภาพของอิเล็กตรอนในอะตอมได้ เพราะอิเล็กตรอนในอะตอมมีความเร็วสูงมาก คือมันใช้เวลาเพียง 24 attoseconds (=0.00000000000000000 24 วินาที) เท่านั้น ก็สามารถโคจรรอบนิวเคลียสได้หนึ่งรอบ ซึ่งเวลานี้สั้นกว่าที่ Zewail ใช้ในการปลดปล่อยเลเซอร์ประมาณ 100 เท่า

เพื่อพิชิตข้อจำกัดนี้ Drescher กับคณะจึงคิดสร้างเทคโนโลยีใหม่ โดยใช้หลักการง่าย ๆ ว่า ขณะอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสในอะตอม อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีวงโคจรต่าง ๆ กันคือ บางตัวอยู่ในวงโคจรในสุด บางตัวอยู่ในวงโคจรถัดออกมา เวลาอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงจรในสุด กระเด็นหลุดจากอะตอม จะด้วยการถูกอนุภาคตัวอื่นชนหรือโดยการดูดกลืนแสง ตำแหน่งที่ว่างในวงโคจรวงนั้นก็จะถูกอิเล็กตรอนตัวอื่นที่อยู่ในวงโคจรนอก ๆ กระโดดลงไปแทนที่ ซึ่งการกระโจนนี้เร็วมาก จนนักวิทยาศาสตร์ไม่มีอุปกรณ์ใด ๆ สามารถเห็นการเคลื่อนที่นี้ได้

แต่ Drescher ได้พบว่า หากเขาฉายแสงเอกซเรย์เป็นช่วง ๆ โดยให้ pulse แสงที่มีความยาว 270 นาโนเมตรไปกระทบอะตอมของธาตุ krypton แล้วปล่อย pulse แสงเอกซเรย์ ที่ยาว 9 เท่าของ pulse แสงเดิม ไปกระทบอะตอมตัวนั้นซ้ำ เขาสามารถเห็นการเคลื่อนที่ของรูโหว่ (hole) ในอะตอมได้ เพราะเวลาแสงเอกซเรย์คลื่นแรกกระทบอะตอม อิเล็กตรอนบางตัวจะดูดกลืนแสง และกระเด็นหลุดจากอะตอมทำให้อะตอมขาดอิเล็กตรอน และอะตอมมีรูโหว่(hole) ดังนั้นอิเล็กตรอนที่อะตอมตัวนั้นมีในวงโคจรนอกๆ จะกระโดดลงไปในรูโหว่นั้น ในการกระเช่นนี้ อิเล็กตรอนตัวที่กระโดด จะปลดปล่อยแสงออกมา ซึ่งอิเล็กตรอนอีกตัวอาจรับแสงนี้ไป แล้วใช้พลังงานที่ได้รับกระโจนหนีจากอะตอมได้ นักฟิสิกส์เรียกอิเล็กตรอนที่ใช้วิธีนี้ หลุดหนีจากอะตอมว่า Auger electron การเกิด Auger electron มีผลทำให้เกิดรูโหว่ในอะตอมอีก ดังนั้นจึงเห็นได้ว่า จากรูโหว่เดิม ขณะนี้เราก็มีรูโหว่เกิดขึ้นอีก คือรูโหว่เดิมได้สลายไป ด้วยกระบวนการ Auger และอิเล็กตรอนแบบ Auger ที่หลุดจากอะตอมนี้หากถูกแสงเอกซเรย์ปะทะ มันก็อาจดูดกลืนแสงหรือปล่อยแสงออกมาอีก ดังนั้น การศึกษาแสงที่อิเล็กตรอนแบบ Auger ปลดปล่อยออกมาจะทำให้นักฟิสิกส์ล่วงรู้ว่า อะตอมมีรูโหว่กี่มากน้อย และการเคลื่อนที่ของรูโหว่ในอะตอมเป็นเช่นไร ซึ่ง Drescher กับคณะก็ได้พบว่า รูโหว่ในอะตอมมีชีวิตได้นานประมาณ 8,000 อัตโตวินาที
นี่คือเทคโนโลยียุคใหม่สุด ๆ ขณะที่บ้านเราก็กำลังก้าวเข้าสู่ยุคนาโน นักฟิสิกส์บางกลุ่มกำลังทำงานในระดับที่เล็กกว่าและเร็วกว่าประมาณพันล้านเท่า แล้วครับ