นาโนเทคโนโลยี เป็นเทคโนโลยีประยุกต์ที่เกี่ยวข้องกับการจัดการสสาร ในระดับนาโนเมตร เพื่อที่จะผลิตโครงสร้าง วัสดุ และอุปกรณ์ใหม่ ๆ ขึ้นมา
ศิริพร วันฟั่น
นับจากวันที่ได้มีการค้นพบนวัตกรรมใหม่ ที่รู้จักกันดีในชื่อว่า “นาโนเทคโนโลยี” เป็นต้นมาจวบจนถึงปัจจุบัน อาจกล่าวได้ว่า เทคโนโลยีนี้ได้ถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่องและกำลังเจริญก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว แถมยังกลายเป็นส่วนสำคัญในการพัฒนา ผลิตภัณฑ์ใหม่ ๆ ในหลากหลายวงการ ไม่ว่าจะเป็น ยานยนต์ พลังงาน สินค้าอุปโภคบริโภค สิ่งทอ คอมพิวเตอร์ และอิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น
โดยข้อมูลจากการวิจัยพบว่า มีผลิตภัณฑ์นาโนเทคโนโลยีชนิดใหม่ ๆ ออกสู่ตลาด ราว 3-4 ตัวต่อสัปดาห์ จึงมีการคาดการณ์ว่าในปี ค.ศ.2015 หรือ พ.ศ.2558 ผลิตภัณฑ์ประเภทนี้จะเข้ามามีส่วนแบ่งตลาดในราว 3.1 ล้านล้านเหรียญสหรัฐฯ หรือมีสัดส่วนประมาณ 11 % ของผลิตภัณฑ์ทั้งโลก [ที่มา: Lux Research 2008] ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อเศรษฐกิจโลก รวมถึงจะมีการจ้างงานกว่า 2 ล้านคนโดยครึ่งหนึ่งจะอยู่ที่สหรัฐอเมริกา
นาโนเทคโนโลยี เป็นเทคโนโลยีประยุกต์ที่เกี่ยวข้องกับการจัดการสสาร (Matter) ในระดับนาโนเมตร เพื่อที่จะผลิตโครงสร้าง วัสดุ และอุปกรณ์ใหม่ ๆ ขึ้นมา โดยไม่เพียงแต่จะนำเสนอลักษณะความเป็นไปได้ของความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์อย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน แต่ยังรวมถึงศักยภาพในการพัฒนาประสิทธิภาพของสินค้าเครื่องอุปโภคบริโภคและผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมที่มีอยู่เดิมได้อย่างน่าทึ่ง และยังสามารถที่จะพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ ๆ ขึ้นมาในหลาย ๆ ภาคส่วน
ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่า นาโนเทคโนโลยีไม่เพียงแต่มีผลกระทบต่อการพัฒนาเทคโนโลยีที่มีอยู่เดิมเท่านั้น แต่ยังเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของการใช้งานในลักษณะใหม่ ๆ ได้อย่างน่าประหลาดตาประหลาดใจอีกด้วย
สำหรับการพัฒนาของนาโนเทคโนโลยีนั้น มีการคาดการณ์ของผู้เชี่ยวชาญด้านการวิเคราะห์เทคโนโลยีว่า น่าจะมีอยู่ 4 ช่วง (ซึ่งแต่ละช่วงอาจคาบเกี่ยวกัน) คือ
• ช่วงแรก เรียกว่า “Passive Nanostructures” ซึ่งการใช้งานนาโนในปัจจุบันเกือบทั้งหมดจะอยู่ในช่วงนี้ จะเกี่ยวข้องกับการพัฒนาโครงสร้างของวัสดุนาโนที่มีสภาพเฉื่อย โดยมากจะเกี่ยวข้องกับการเพิ่มวัสดุนาโนเข้ากับวัสดุที่มีอยู่เดิมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพหรือมูลค่าของผลิตภัณฑ์ โดยจะมุ่งความสนใจไปที่รูปแบบทางกายภาพและทางเคมีของตัววัสดุนาโนมากกว่าการตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมที่อยู่ของวัสดุนาโนนั้น
เช่น การเพิ่มท่อนาโนคาร์บอน (Carbon Nanotubes: CNTs) เข้าไปในยาง (Rubber) ซึ่งจะสามารถเพิ่มความเหนียวได้อย่างมากโดยไม่ไปลดความยืดหยุ่นที่มีอยู่เดิม นอกจากนี้ยังรวมถึงการใช้ประโยชน์จากอนุภาคซิลเวอร์นาโน (Silver Nanoparticles) และวัสดุนาโนที่มีรูพรุน (Porous Nanomaterials) ด้วย
• ช่วงที่สอง เรียกว่า “Active Nanostructures” จะเกี่ยวข้องกับการพัฒนาวัสดุที่มีโครงสร้างในระดับนาโนสเกลที่สามารถเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมในการตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนไปได้ โดยการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นนี้อาจเป็นผลมาจากแรงกล สนามแม่เหล็ก การสัมผัสกับแสงสว่าง โมเลกุลทางชีวภาพ หรือปัจจัยแวดล้อมอื่น ๆ ในที่ซึ่งจะสามารถเปลี่ยนแปลงขนาด รูปร่าง การนำไฟฟ้า หรือคุณสมบัติอื่น ๆ ในระหว่างการใช้งานได้
เช่น อนุภาคนำตัวยา (Drug-delivery Particles) ที่สามารถปล่อยโมเลกุลยารักษาโรคเข้าไปในร่างกายมนุษย์ เมื่อถึงเนื้อเยื่อเป้าหมายที่เป็นโรคเท่านั้น หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น ทรานซิสเตอร์และแอมปลิฟายเออร์ จะถูกดัดแปลงฟังก์ชั่นให้สามารถลดรูปเหลือเพียงแค่หนึ่งเดียวด้วยโมเลกุลที่มีความสลับซับซ้อน
• ช่วงที่สาม เรียกว่า “System of Nanosystems” จะครอบคลุมระบบต่าง ๆ ของระบบนาโนที่มี 3 มิติ โดยการใช้เทคนิคการสังเคราะห์ (Synthesis) และการประกอบ (Assembly) เช่น การประกอบทางชีวภาพ หรือหุ่นยนต์ที่สามารถแสดงออกทางพฤติกรรมได้เอง กล่าวคือ ในช่วงนี้จะพุ่งตรงไปที่ส่วนประกอบจำนวนมากที่พัวพันกันและมีความสลับซับซ้อน ซึ่งจะถูกรวมเข้าเป็นสิ่งที่มีลักษณะเฉพาะในท้ายสุด
โดยหนึ่งในการใช้งานนั้นจะเกี่ยวข้องกับการประกอบตัวเองได้ (Self-assembly) ของชิ้นส่วนนาโนอิเล็กทรอนิกส์ที่ได้กำหนดวิธีไว้ให้แล้วเพื่อประกอบกันเองเป็นวงจรแบบ 3 มิติ และรวมกันขึ้นเป็นอุปกรณ์ทั้งหมด หรือการประมวลผลข้อมูลโดยใช้โฟตอน (Photon) หรือในกรณีทางการแพทย์ ก็สามารถที่จะใช้ระบบเช่นที่ว่านี้สำหรับการพัฒนาการเข้ากันได้ (Compatibility) ของเนื้อเยื่อที่ปลูกถ่าย หรือใช้เป็นนั่งร้านสำหรับการก่อกำเนิดใหม่ของเนื้อเยื่อ หรือบางทีก็อาจรวมถึงการสร้างอวัยะเทียมขึ้นมา
• ช่วงที่สี่ เรียกว่า “Molecular Nanosystems” จะเป็นไปในลักษณะโครงข่ายผสมผสานกัน ซึ่งโมเลกุลและโครงสร้างที่มีอณูมาก (Supramolecules) จะใช้เป็นอุปกรณ์ที่มีความโดดเด่นเป็นพิเศษ ซึ่งโปรตีนที่อยู่ในเซลล์จะทำงานร่วมกันในลักษณะเช่นนี้ ส่วนคอมพิวเตอร์และหุ่นยนต์สามารถที่จะลดขนาดให้เล็กลงอย่างมาก และการใช้งานทางการแพทย์นั้นอาจจะมีเป้าหมายค่อนข้างสูง โดยจะเป็นการรักษาโรคแบบใหม่ที่เกี่ยวกับพันธุศาสตร์และการชะลอความแก่ชรา รวมถึงการเปลี่ยนแปลงรูปแบบของการสื่อสารแบบใหม่ อันเนื่องจากเทคโนโลยีร่วมที่เชื่อมโยงกันระหว่างมนุษย์กับอิเล็กทรอนิกส์
การประยุกต์ใช้งานของการวิจัยในปัจจุบัน (Applications of Current Research)
อาจจะกล่าวได้ว่า เกือบจะทุก ๆ ส่วนของกิจกรรมที่มนุษย์กระทำ จะได้รับผลกระทบจากการพัฒนานาโนเทคโนโลยีในอนาคต ไม่ว่าจะเป็นการแพทย์ อาหาร เสื้อผ้า ระบบความมั่นคงของประเทศ การทำความสะอาดสิ่งแวดล้อม การก่อกำเนิดพลังงาน อิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์ และการก่อสร้าง เป็นต้น โดยตัวอย่างด้านล่างนี้เป็นเพียงเศษเสี้ยวเล็ก ๆ ของการวิจัยที่มีแนวโน้มในการนำมาใช้งานได้จริงในอนาคตอันใกล้นี้
• ยาอัจฉริยะเพื่อการรักษามะเร็ง (Smart Drugs-cancer Treatments) มีความพยายามอย่างมากของนักวิจัยในการหาหนทางตรวจหาและรักษามะเร็ง โดยหนึ่งในเป้าหมายสำคัญของการใช้งานนาโนเทคโนโลยีสำหรับวัตถุประสงค์ทางการแพทย์ ก็คือ การสร้างเครื่องมือที่จะสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง เมื่อต้องใช้งานในร่างกายผู้ป่วยและระบบนำส่งตัวยา (Drug Delivery Systems) ไปยังอวัยวะเป้าหมายได้อย่างแม่นยำ
ซึ่งการรักษามะเร็งในปัจจุบันที่เป็นอยู่จะใช้การฉายรังสี (Radiation) และเคมีบำบัด (Chemotherapy) ซึ่งเป็นวิธีที่ทำให้ผู้ป่วยเกิดความอ่อนเพลียอันเป็นผลข้างเคียง และการรักษาด้วยวิธีนี้ก็จะเป็นการทำลายทั้งเซลล์มะเร็งและเซลล์ที่อยู่ในสภาพดีไปพร้อมกันด้วย
ดังนั้น จึงมีความพยายามที่จะใช้ศักยภาพของนาโนเทคโนโลยีในการรักษามะเร็งประเภทต่าง ๆ โดยเป็นการพุ่งเป้าไปที่เซลล์ที่เป็นมะเร็งเท่านั้น ซึ่งนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice University) ได้พัฒนาเทคนิคจากการใช้ประโยชน์จากความร้อน (Heat) และอนุภาคนาโน (Nanoparticles) ในการทำลายเซลล์มะเร็ง โดยการออกแบบอนุภาคนาโนที่เคลือบด้วยทอง (Gold-coated Nanoparticles) เพื่อเข้าไปพอกพูนบริเวณรอบ ๆ เซลล์มะเร็งผ่านทางการฉีดเข้าไปข้างในร่างกายผู้ป่วย
ส่วนแหล่งกำเนิดของการฉายรังสีที่มีความคล้ายคลึงกับคลื่นวิทยุ (Radio Wave) ก็จะถูกส่งในย่านความถี่แม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงแคบที่จะทำการปรับจูนให้สามารถทำปฏิกิริยากับอนุภาคนาโนที่เคลือบด้วยทองนี้ได้ หลังจากนั้นอนุภาคนาโนที่ถูกเพิ่มความร้อนขึ้นจากรังสีก็จะสามารถที่จะทำลายเฉพาะเซลล์มะเร็งโดยจะไม่ไปทำลายเซลล์ที่ดีที่อยู่โดยรอบ [ที่มา: O’Neal et al.2004]
ในขณะที่ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเท็กซัส (The University of Texas) ได้มุ่งความสนใจไปที่การตรวจหามะเร็งในระยะแรก โดยการทดลองบนเทคโนโลยีชิพ (Chip Technology) ด้วยอนุภาคที่สามารถแยกแยะและให้ความสนใจไปที่โปรตีนเป้าหมายที่ได้จากตัวอย่างเลือด นอกจากนี้ยังมีการฉีดอนุภาคนาโนเพื่อใช้เป็นตัวนำพา (Carriers) ยา ซึ่งจะสามารถที่จะหลีกเลี่ยงสิ่งกีดกั้นทางชีวภาพ (Biological Barriers) และพุ่งตรงไปที่อวัยวะเป้าหมายของร่างกายได้
• การใช้ประโยชน์ทางการทหาร (Military Application) กองทัพสหรัฐฯ และสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเสส (The Massachusette Institue of Technology: MIT) ได้ร่วมมือกันในโครงการทางการทหารที่จะใช้นาโนเทคโนโลยีในการออกแบบชุดรบใหม่สำหรับทหาร โดยมีเป้าหมายที่จะสร้างเสื้อเกราะกันกระสุนที่มีความหนาไม่เกิน 1 คืบ และยังสามารถที่จะตรวจภาวะสุขภาพของผู้สวมใส่ สะดวกต่อการถอดหรือสวมใส่ มีระบบติดต่อสื่อสารแบบอัตโนมัติ และมีปฏิกิริยาที่ไวต่อสารเคมีและสารชีวภาพ (Biological Agents)
• การประมวลผลของคอมพิวเตอร์ (Computer processing) มีนักวิจัยจำนวนมากที่มีความพยายามจะใช้วัสดุนาโน (Nanomaterials) และเทคนิคนาโนเทคโนโลยีในการพัฒนาการใช้งานคอมพิวเตอร์ ตัวอย่างเช่น ทีมนักวิจัยของ International Business Machines Company (IBM) ได้ใช้เทคนิคการประกอบตัวเองได้ (Self-assembly) ของนาโนเทคโนโลยี ในการพัฒนาการไหลของกระแสไฟฟ้าในชิพ (Chips) ได้ถึง 35 %
ซึ่งวิธีใหม่นี้เรียกว่า “Air-gap Technology” โดยมีความคาดหวังที่จะเพิ่มจำนวนทรานซิสเตอร์เป็น 4 เท่า ที่สามารถบรรจุอยู่บนชิพได้ ซึ่งเสมือนเป็นการเลียนแบบกระบวนการทางธรรมชาติของการก่อรูปขึ้นมาของเปลือกหอย เกล็ดหิมะ และสารเคลือบฟัน โดยการก่อให้เกิดรูจำนวนนับล้าน ๆ รู เพื่อที่จะสร้างฉนวนสูญญากาศรอบ ๆ ชุดของเส้นลวดที่มีขนาดระดับนาโนสเกลที่มีความยาวหลายไมล์ที่อยู่ถัดกันไป ซึ่งจะถูกบรรจุอยู่ข้างในชิพคอมพิวเตอร์แต่ละตัว
• หน่วยชีวภาพที่ตั้งโปรแกรมไว้-แบตเตอรี่ที่มีขนาดเล็กที่สุด (Programmed biology-the smallest batteries) เทคโนโลยีแบตเตอรี่เป็นอุปสรรคหลักสำหรับการใช้งานในหลาย ๆ ลักษณะ ไล่ตั้งแต่รถยนต์ไฟฟ้าไปจนถึงเครื่องมือแพทย์ขนาดย่อส่วนที่ใช้ในการปลูกถ่ายเนื้อเยื่อ โดยหนึ่งในข้อจำกัดที่สำคัญของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบัน ก็คือ กว่าครึ่งหนึ่งของขนาดหรือน้ำหนักของแบตเตอรี่จะถูกใช้เป็นที่อยู่ของวัสดุต่าง ๆ ที่ใช้ในการเก็บกระแสไฟฟ้า
ดังนั้น ในการที่จะเพิ่มความเข้มของพลังงานในแบตเตอรี่จึงจำเป็นต้องลดจำนวนวัสดุที่เทอะทะออกไป ทีมวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเสส (The Massachusette Institue of Technology: MIT) จึงได้ออกแบบและสร้างไวรัส (Virus) เพื่อใช้เป็นโมเลกุลที่ถูกตั้งโปรแกรมไว้ และใช้โมเลกุลนี้สร้างแบบบล็อกให้วัสดุอนินทรีย์ (Inorganic Materials) ได้เจริญเติบโตขึ้นมาและสามารถประกอบตัวเองได้ โดยไวรัสเชิงวิศวกรรม (Engineered Virus) นี้จะถูกใช้เพื่อการเจริญเติบโตของเส้นลวดนาโนโคบอลต์ออกไซด์ (Cobalt Oxide) ซึ่งจะทำตัวเสมือนเป็นขั้วบวกของแบตเตอรี่
โดยโคบอลต์ออกไซด์นี้สามารถเพิ่มการเก็บความจุไฟฟ้าของแบตเตอรี่ชนิดลิเธียมอิออนได้อย่างมีนัยสำคัญ และยังถูกใช้ในการสร้างไมโคร-แบตเตอรี่อีกด้วย [ที่มา: Nam et al. 2008] โดยนักวิจัยได้ทำการเคลือบผิวไวรัสเชิงวิศวกรรมด้วยเหล็กฟอสเฟต (Iron Phosphate) เพื่อที่จะสามารถจับกับท่อนาโนคาร์บอน (Carbon Nano Tubes: CNTs) ที่ทำตัวเสมือนเป็นขั้วลบของแบตเตอรี่ในการที่จะสร้างโครงข่ายของวัสดุที่นำไฟฟ้าสูงขึ้นมาได้ [ที่มา: Lee et al. 2009]
ในการรวมสององค์ประกอบนี้เข้าด้วยกัน (ทั้งขั้วบวกและขั้วลบ) นั้น ทีมนักวิจัยได้ทำการพัฒนาต้นแบบของแบตเตอรี่ที่มีขนาดเท่ากับเหรียญแต่มีความจุของพลังงานเท่ากับแบตเตอรี่โดยทั่วไป ซึ่งอาจถูกนำไปใช้กับยานยนต์ประเภทไฮบริด [ที่มา: Trafton, 2009] ซึ่งการใช้ไวรัสที่มีความสามารถในการประกอบตัวเองได้นั้น ทีมนักวิจัยมีความคาดหวังว่าจะสามารถสร้างแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพสูงในการประกอบตัวเองได้อย่างเต็มรูปแบบ เพื่อที่จะสามารถนำไปใช้งานกับไฟเบอร์ วงจร หรือวัสดุอื่น ๆ ได้ [ที่มา: Nam et al. 2008]
• วัสดุที่มีความสลับซับซ้อน-สุดยอดกาว (Complex materials-a super adhesive) นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรมักจะมองหาลักษณะทางธรรมชาติในการแก้ปัญหาที่สลับซับซ้อน หรือเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีที่จะมีความสามารถในการเลียนแบบธรรมชาตินั้น
ตัวอย่างเช่น ตุ๊กแกที่มีความสามารถในการยึดติดกับพื้นผิวและไต่ไปตามผนังได้อย่างสบายใจ ได้กลายเป็นแรงบันดาลใจให้กับนักวิจัยในการออกแบบวัสดุที่สามารถเลียนแบบขนใต้ตีนตุ๊กแกที่มีความยืดหยุ่นแต่ไม่อาจมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า โดยการใช้ท่อนาโนคาร์บอนในการสร้างวัสดุที่มีแรงยึดติดมากกว่าตีนตุ๊กแกประมาณ 10 เท่า ซึ่งวัสดุท่อนาโนคาร์บอนเหล่านี้จะมีแรงยึดติดในแนวที่ขนานไปกับพื้นผิวมากกว่าในแนวตั้งฉากกับพื้นผิว
ผลที่ได้คือ เราสามารถที่จะนำวัตถุที่มีน้ำหนักมากยึดติดกับพื้นผิวในแนวดิ่งได้และสามารถลอกออกได้อย่างสบายอีกด้วย และการที่ตุ๊กแกสามารถไต่พื้นผิวในแนวดิ่งได้ ก็ทำให้นักวิจัยเกิดความคิดอันบรรเจิดที่จะสร้างชุดเสื้อผ้าที่มนุษย์สวมใส่แล้วสามารถทำอย่างนั้นได้บ้างในอนาคต
• วัสดุเหนือธรรมชาติ-การควบคุมทางเดินของแสง (Metamaterials-controlling The Flow of Light) การวิจัยในสาขาใหม่ ๆ ของวิทยาศาสตร์ทั้งหมด มักจะเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนรูปของแสง ซึ่งมีความเป็นไปได้โดยใช้ศักยภาพของนาโนเทคโนโลยีในการสร้างวัสดุชนิดใหม่ที่สามารถหักเหแสงได้ พูดในทำนองที่ว่าสามารถกำหนดได้ตามอำเภอใจ ซึ่งก่อนหน้านี้ถูกมองว่าเป็นไปไม่ได้ [ที่มา: Shalave 2008] โดยการใช้งานนี้จะรวมถึงสิ่งที่ปกคลุมด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถหักเหแสงรอบ ๆ ตัวเองได้
ฉะนั้นจึงทำให้ไม่สามารถมองเห็นทั้งสิ่งที่ปกคลุมและวัตถุที่ซ่อนอยู่ข้างใน และไฮเปอร์เลนส์ (Hyperlens) ที่เพิ่มเข้าไปในกล้องจุลทรรศน์แบบเดิม ๆ นั้นจะช่วยให้มองเห็นในระดับนาโนสเกลและนั่นก็สามารถที่จะมองเห็นไวรัสและอาจรวมถึงโมเลกุลดีเอ็นเอด้วย
• การกำเนิดพลังงานและการใช้ (Energy Generation and Use) การก่อกำเนิดนาโนยุคใหม่ที่เกี่ยวกับตัวเซนเซอร์ ตัวเร่งปฏิกิริยา และวัสดุได้บังเกิดผลแล้วในการลดการใช้พลังงาน และจะคงมีความก้าวหน้าต่อไปอย่างแน่นอน มีความพยายามของนักวิจัยในการที่จะใช้นาโนเทคโนโลยี เพื่อการผลิตเสริมสำหรับน้ำมัน [Enhance Oil Recovery (EOR) หมายถึง วิธีการที่ช่วยในการผลิตน้ำมันขึ้นมาจากหลุม หลังจากที่ได้มีการผลิตตามธรรมชาติแล้ว ได้แก่ การผลิตขั้นทุติยภูมิ (Secondary Recovery) และการผลิตขั้นตติยภูมิ (Tertiary Recovery)]
นอกจากนี้ ภายใต้บางสถานการณ์ ตัวเร่งปฏิกิริยาในระดับนาโนสเกลและเมมเบรนของนาโนที่มีรูพรุน จะถูกใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงชีวมวล (Biomass Fuel) รวมถึงการส่งผ่านน้ำมันก็จะมีศักยภาพมากขึ้น โดยการใช้วัสดุนาโนเชิงวิศวกรรม (Engineered Nanomaterials)
สำหรับภาคส่วนของพลังงานหมุนเวียน (Renewable Energy) นั้น นาโนเทคโนโลยีก็มีศักยภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพในกระบวนการผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ลดต้นทุนและกระบวนการได้มาของพลังงานนั้นอย่างไม่ยากเย็นจนเกินไปนัก
นอกจากนี้ ยังรวมถึงการใช้คุณสมบัติของพื้นที่ผิวสัมผัสในระดับนาโนสเกลและเทคนิคนาโนประดิษฐ์แบบใหม่ ในการเพิ่มการผลิตกระแสไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน (Hydrogen Fuel Cells) กล่าวได้ว่า เทคโนโลยีโดยมากที่เกี่ยวข้องกับพลังงานหมุนเวียน สามารถที่จะมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นถ้ามีการนำเอานาโนเทคโนโลยีในรูปแบบต่าง ๆ มาใช้งาน อย่างน้อย ๆ ก็ใช้ในระดับห้องทดลองวิจัยต่าง ๆ
นอกจากนี้นาโนเทคโนโลยียังสามารถที่จะเปลี่ยนแปลงรูปโฉมของเซลล์โฟโตโวลตาอิก (Photovoltaic Cells) ผ่านการพัฒนาเทคนิคในการผลิตแบบใหม่และมีราคาไม่แพง และยังมีกรรมวิธีใหม่ในการก่อกำเนิดโครงสร้างที่มีพื้นที่ผิวสัมผัสมาก ตลอดจนมีความไวต่อการตอบสนองอย่างมาก รวมถึงยังเพิ่มค่าการดูดกลืนแสงของเซลล์ได้อีกด้วย
ขณะที่วัสดุนาโน (Nanomaterials) ในปัจจุบันนี้ มีทีท่าว่าจะไม่มีขีดจำกัดของความเป็นไปได้ต่าง ๆ ตัวมันเองก็ได้นำพาความท้าทายแบบใหม่มาพร้อมกันด้วย ไม่ว่าจะเป็นในเรื่องของความเข้าใจ การคาดการณ์ และการบริหารความเสี่ยงของผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นได้ ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยและอาชีวอนามัยของผู้ปฏิบัติงาน และกลุ่มเสี่ยงต่าง ๆ ที่อาจเข้ามาสัมผัสกับอันตรายในแต่ละช่วงของวงจรชีวิต (Life Cycle) ของวัสดุนาโน เหตุผลที่มีความกังวลเกี่ยวกับผลกระทบที่อาจเกิดขึ้น
อย่างแรกก็คือ ขนาดที่เล็กมาก ๆ ของอนุภาคนาโนเชิงวิศวกรรม (Engineered Nanoparticles) ซึ่งอาจทำให้เกิดผลกระทบต่อสุขภาพดังเช่นที่เกิดขึ้นกับอนุภาคขนาดเล็กมากในระดับนาโนสเกล (Ultrafine Nanoparticles) เช่น อนุภาคที่ถูกปล่อยออกมาจากกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการเผาไหม้ การเชื่อม หรือไอเสียจากเครื่องยนต์ดีเซล ซึ่งทำให้เกิดเป็นโรคปอดอักเสบหรือมะเร็งที่ปอดผ่านทางการสูดดมเข้าไป เฉกเช่นเดียวกันกับกรณีของแอสเบสตอส (Asbestos-แร่ใยหิน) ที่เป็นเพชฌฆาตมือวางอันดับต้น ๆ ตลอดกาลในการคร่าชีวิตผู้ปฏิบัติงานจากการก่อให้เกิดเป็นโรคมะเร็งปอด
และประการที่สอง ก็เพราะมีพื้นที่ผิวสัมผัส (Surface Areas) มากในการทำปฏิกิริยาไม่ว่าจะเป็นปฏิกิริยาเคมีหรือชีวภาพ และอาจดูดซับเอาสารพิษอื่น ๆ และนำสารพิษนี้เข้าไปสู่อวัยะส่วนต่าง ๆ ของร่างกายเมื่อสามารถเข้าไปในร่างกายคนเรา ส่วนกรณีที่ขยะนาโนหรืออนุภาคนาโนที่ถูกทิ้งหรือถูกปล่อยไปยังสิ่งแวดล้อมนั้น ก็มีโอกาสที่จะเกิดผลกระทบต่อระบบนิเวศน์ได้เมื่อมีปริมาณที่มากเพียงพอ
และเหตุผลอีกประการหนึ่งก็เพราะมีช่วงที่กว้างมากของศักยภาพในการใช้งานนาโนเทคโนโลยี และยังขาดหลักฐานที่เพียงพอต่อการชี้ขัดถึงผลกระทบเหล่านี้ รวมไปถึงขอบข่ายของกฏหมายหรือระเบียบข้อบังคับ หรือเกณฑ์มาตรฐานที่เป็นการเฉพาะสำหรับนาโนเทคโนโลยีทั้งในระดับประเทศหรือนานาชาติก็ยังไม่มี หรือมีแต่ไม่ชัดเจน หรือไม่ครอบคลุมเพียงพอ
ดังนั้น จึงมีความจำเป็นที่ต้องมีการประเมินและศึกษาวิจัยอย่างต่อเนื่องถึงความเป็นไปได้ของความเสี่ยงที่อาจมีต่อความปลอดภัย และสุขภาพของผู้ที่เกี่ยวข้องกับทุกกระบวนการของนาโนเทคโนโลยี รวมถึงผลกระทบต่าง ๆ ที่อาจมีต่อสิ่งแวดล้อมด้วย
และในระหว่างที่งานวิจัยยังคงดำเนินต่อไปนั้น กลุ่มเสี่ยงต่อการสัมผัสในแต่ละช่วงของวงจรชีวิตวัสดุนาโน ก็พึงใช้มาตรการเฝ้าระวัง (Precautionary Measures) เป็นการชั่วคราวไปก่อน หรือพิจารณาข้อเสนอแนะต่าง ๆ สำหรับแนวทางที่จะช่วยในการควบคุมดูแลหรือป้องกันไม่ให้เกิดผลกระทบต่าง ๆ เหล่านั้น (ดังที่จะได้กล่าวในรายละเอียดต่อไป) ก็คงพูดได้ว่าจนกว่าจะมีหลักฐานที่มากพอที่จะยืนยันได้อย่างแน่ชัดว่า ผลกระทบใดบ้างที่มีสาเหตุโดยตรงมาจากวัสดุนาโนชนิดใด และด้วยวิธีใด และเมื่อถึงเวลานั้นจริง เราก็จะสามารถกำหนดมาตรการป้องกันต่าง ๆ ที่จะไม่ให้เกิดผลกระทบเหล่านั้นแบบที่เป็นการเฉพาะเจาะจงลงไปได้อย่างมั่นใจ
นาโนเทคโนโลยีคืออะไร
ตามคำนิยามของ โครงการริเริ่มนาโนเทคโนโลยีแห่งชาติของประเทศสหรัฐฯ (The U.S. National Nanotechnology Initiative: NNI) ระบุว่า เทคโนโลยีที่จะจำกัดความว่าเป็นนาโนเทคโนโลยีจะเกี่ยวข้องกับสิ่งเหล่านี้ คือ
• การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างที่มีอย่างน้อย 1 มิติ (Dimension) อยู่ในช่วง 1 ถึง 100 นาโนเมตร (1 นาโนเมตร = 1x10-9 เมตร) โดยมากเป็นความแม่นยำในระดับอะตอมหรือโมเลกุล
• การสร้างและการใช้ประโยชน์จากโครงสร้าง อุปกรณ์ และระบบต่าง ๆ ที่มีลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติ และการใช้งานอันเนื่องมาจากการมีมิติในระดับนาโนสเกล (Nanascale Dimensions) ของสิ่งนั้น ๆ
• ความสามารถในการควบคุมหรือจัดการในระดับอะตอมได้อย่างถูกต้องและแม่นยำ
ดังนั้น ความหมายโดยรวมของนาโนเทคโนโลยี ก็คือ “เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการจัดการ การควบคุม การสร้าง การสังเคราะห์วัสดุ อุปกรณ์ และระบบต่าง ๆ ที่มีขนาดเล็กมาก ๆ ในระดับนาโนเมตร (อยู่ในช่วง 1 ถึง 100 นาโนเมตร) ด้วยความถูกต้องแม่นยำ ซึ่งจะส่งผลให้โครงสร้างของวัสดุหรืออุปกรณ์ต่าง ๆ มีคุณสมบัติพิเศษขึ้นมาไม่ว่าทางด้านกายภาพ เคมี หรือชีวภาพ ทำให้เกิดประโยชน์ต่อผู้ใช้สอยและเพิ่มมูลค่าทางเศรษฐกิจได้”
บุคคลสำคัญที่เกี่ยวข้องกับนาโนเทคโนโลยี
• ริชาร์ด ไฟยน์แมน (Richard Feynman) เป็นผู้ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ.1965 (พ.ศ.2508) และเป็นผู้ที่ได้รับการยอมรับและยกย่องว่าเป็นบิดาของนาโนเทคโนโลยี ซึ่งมีคำพูดที่เป็นอมตะที่เขากล่าวไว้ว่า “ที่ความเล็กระดับนาโนเมตร เราจะค้นพบแรงชนิดใหม่ ๆ ปรากฎการณ์ใหม่ ๆ และความเป็นไปได้ในรูปแบบใหม่ ๆ”
โดยเขากล่าวไว้ตั้งแต่ปี ค.ศ.1959 (พ.ศ.2502) ในระหว่างการบรรยายทางวิชาการอันโด่งดัง ในหัวข้อเรื่อง “There ‘s Plenty of Room at the Bottom” ณ สมาคมฟิสิกส์ สหรัฐอเมริกา ซึ่งนับได้ว่าเป็นคนแรกที่แสดงความเห็นถึงความเป็นไปได้และแนวโน้มของนาโนเทคโนโลยี
และจากคำพูดที่ว่านี้เอง ทำให้เราเห็นอย่างชัดเจนว่าความสำคัญของนาโนศาสตร์และนาโนเทคโนโลยี ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแค่ การที่เราสามารถสร้างสิ่งต่าง ๆ ที่มีขนาดเล็กมาก ๆ ในระดับนาโนเมตรได้อย่างถูกต้องและแม่นยำเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการที่เราสามารถนำคุณสมบัติใหม่ ๆ และปรากฎการณ์ใหม่ ๆ ที่เกิดขึ้นเฉพาะในระดับนาโนเมตรเท่านั้น นำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างหลากหลายอีกด้วย
• ศาสตราจารย์ โนริโอะ ทานิกูชิ (Norio Taniguchi) แห่งมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์โตเกียว เป็นคนแรกที่เริ่มใช้คำว่า “Nanotechnology” ในปี ค.ศ.1974 (พ.ศ.2517) โดยนาโนมีรากศัพท์มาจากภาษากรีก คำว่า “Nanos” ที่แปลว่าคนแคระ
ระบบขนานชื่อและศัพท์เฉพาะสำหรับวัสดุนาโน (Nanomaterials)
The International Organization for Standardization Technical Committee 229 (Nanatechnologies) ได้ทำการพัฒนาระบบขนานชื่อ (Nomenclature) และศัพท์เฉพาะ (Terminology) สำหรับวัสดุนาโน (Nanomaterials) ขึ้นมาเพื่อให้รับรู้และเข้าใจตรงกัน โดยตาม ISO/TS 27687: 2008 ระบุไว้ดังนี้ คือ
1. วัตถุนาโน (Nano-object) หมายถึง วัสดุที่มีมิติภายนอก (External Dimensions) จำนวน 1, 2 หรือ 3 มิติ ที่มีขนาดอยู่ในช่วงโดยประมาณ 1 ถึง 100 นาโนเมตร และวัตถุนาโนยังสามารถแยกย่อยได้อีก 3 หมวดย่อย ดังนี้ คือ
1.1 นาโนเพลต (Nanoplate) หมายถึง วัตถุนาโนที่มีมิติภายนอก จำนวน 1 มิติ ที่ระดับนาโนสเกล (Nanoscale)
1.2 นาโนไฟเบอร์ (Nanofiber) หมายถึง วัตถุนาโนที่มีมิติภายนอก จำนวน 2 มิติ ที่ระดับนาโนสเกลพร้อมกับมีท่อนาโน (Nanotube) ที่จำกัดความถึง นาโนไฟเบอร์ที่เป็นโพรง (Hollow Nanofiber) และท่อนนาโน (Nanorod) ที่จำกัดความถึง นาโนไฟเบอร์ที่เป็นของแข็ง (Solid Nanofiber)
1.3 อนุภาคนาโน (Nanoparticle) หมายถึง วัตถุนาโนที่มีมิติภายนอกทั้ง 3 มิติ ที่ระดับนาโนสเกล โดยอนุภาคนาโนมักจะแสดงออกถึงลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี (Physical & Chemical Properties) ของตัวเอง
โดยปกติแล้ว วัตถุนาโนจะถูกผนวกรวมเข้าไปอยู่ในแหล่งที่อยู่ที่มีขนาดใหญ่กว่าหรือรากฐานที่มาที่ถูกอ้างอิงว่าเป็น วัสดุนาโน (Nanomaterial) โดยวัตถุนาโนอาจจะแขวนลอยอยู่ในก๊าซ ที่เรียกว่า ละอองนาโน (Nanoaerosol) หรือแขวนลอยในของเหลว ที่เรียกว่า นาโนคอลลอยด์ (Nanocolloid) หรือ นาโนไฮโดรซอล (Nanohydrosol) หรือฝังอยู่ในแหล่งที่อยู่ที่เรียกว่า นาโนคอมโพสิต (Nanocomposite)
ความแม่นยำในการจำกัดความของเส้นผ่าศูนย์กลางของอนุภาคขึ้นอยู่กับรูปร่างของอนุภาค เช่นเดียวกันกับว่าเส้นผ่าศูนย์กลางนี้จะถูกวัดอย่างไร โดยโครงสร้างและรูปของอนุภาค (Particle Morphologies) อาจมีความแตกต่างกันอย่างกว้างขวางที่ระดับนาโนสเกล ตัวอย่างเช่น คาร์บอนฟูลเลอรีน (Carbon Fullerenes) จะแสดงถึงวัตถุนาโนที่มีมิติเป็นเอกลักษณ์ในทุกทิศทาง (เช่น ทรงกลม)
ในขณะที่ ท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังเดี่ยว (Single Walled Carbon Nanotubes: SWCNTs) จะเป็นตัวอย่างวัตถุนาโนที่มีโครงสร้างและรูปในลักษณะคล้ายเส้นใยที่ขดกันเป็นวง โดยตามปกติแล้ว โครงสร้างและรูปของอนุภาคสามารถที่จะถูกออกแบบที่ระดับนาโนสเกลได้ (ยกเว้นอนุภาคที่มีโครงสร้างและรูปเป็นแบบทรงกลม) เช่น ออกแบบอนุภาคให้มีโครงสร้างเหมือนดอกไม้หรือเข็มขัด เป็นต้น
2. อนุภาคขนาดเล็กมาก (Ultrafine Particles) โดยแต่ดั้งเดิมแล้วถูกใช้อธิบายถึงอนุภาคที่แขวนลอยในอากาศ (Airborne Particles) ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเล็กกว่า 100 นาโนเมตร ซึ่งความแตกต่างระหว่าง อนุภาคนาโน (Nanoparticles) กับ อนุภาคขนาดเล็กมาก (Ultrafine Particles) ก็คือ อนุภาคนาโนจะใช้ในบริบทที่อนุภาคนั้นถูกตั้งใจผลิตขึ้นมา (Intentional Produced Particles) หรือมักเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า อนุภาคเชิงวิศวกรรม (Engineered Particles)
ส่วนอนุภาคขนาดเล็กมากนั้นจะใช้ในบริบทที่อนุภาคนั้นไม่ได้ตั้งใจผลิตหรือเกิดขึ้นโดยบังเอิญ (Incidental Produced Particles) ตัวอย่างเช่น อนุภาคขนาดเล็กมากที่ถูกปล่อยมาออกมาจากกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการเผาไหม้ (Combustion) การเชื่อม (Welding) หรือไอเสียจากเครื่องยนต์ดีเซล (Diesel Exhaust) (ดูรูปประกอบ) แต่อย่างไรก็ตาม การจำกัดความก็ไม่ได้เข้มงวดมากนัก เพราะในอดีตที่ผ่านมาอนุภาคขนาดเล็กมากบางตัว ก็ถูกผลิตขึ้นมาอย่างตั้งใจด้วยอนุภาคตั้งต้นที่มีขนาดอยู่ในช่วงของขนาดนาโน เช่น ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2)
รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างอนุภาคขนาดเล็กมาก (Ultrafine Particles) ที่มีขนาดในระดับนาโนสเกล โดยช่องทางการสัมผัสจะมาทางอากาศ (Airborne Exposure) จากฟูมของการเชื่อม ไอเสียจากเครื่องยนต์ดีเซล และซีเรียมออกไซด์ ตามลำดับจากซ้ายไปขวา
3. อนุภาคนาโนเชิงวิศวกรรม (Engineered Nanoparticles) หมายถึง อนุภาคนาโนที่ถูกออกแบบและตั้งใจผลิตขึ้นมา ซึ่งมีอย่างน้อย 1 มิติ อยู่ในช่วงระหว่าง 1 ถึง 100 นาโนเมตร (Nanometers) ด้วยคุณสมบัติ (Properties) หรือองค์ประกอบ (Compositions) ที่มีลักษณะเฉพาะตัวมาก ๆ ของอนุภาคนั้น เช่น รูปร่าง ขนาด คุณสมบัติทางเคมี หรือพื้นที่ผิวสัมผัส ประจุ ความสามารถในการละลาย ความสามารถในการก่อให้เกิดการออกซิแดนต์ และระดับของรวมตัวกันเป็นก้อนใหญ่ เป็นต้น ในขณะที่อนุภาคนาโนที่เกิดขึ้นโดยบังเอิญ (Incidental Nanoparticles) จะเกิดขึ้นในลักษณะที่ควบคุมไม่ได้และมักจะเป็นเนื้อผสม (Heterogeneous) เมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคนาโนเชิงวิศวกรรม
4. ละอองนาโน (Nanoaerosol) หมายถึง การสะสมของอนุภาคนาโนที่แขวนลอยอยู่ในก๊าซ โดยอนุภาคนี้อาจปรากฎอยู่ในรูปของการแยกตัวกันของวัตถุนาโน หรือก้อนอนุภาคนาโนที่มีแรงยึดเหนี่ยวต่ำ (Agglomerate) หรือก้อนอนุภาคนาโนที่มีแรงยึดเหนี่ยวสูง (Aggregate) โดยที่ก้อนอนุภาคเหล่านี้อาจจะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางที่มากกว่า 100 นาโนเมตรก็ได้
ในกรณีที่ละอองประกอบไปด้วยอนุภาคที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางในระดับไมโครเมตรแล้วจับตัวกันเป็นก้อนอนุภาคนาโน ซึ่งคำจำกัดความของละอองนาโนค่อนข้างจะเปิดกว้างในการตีความ แต่การยอมรับโดยทั่วไปนั้นถ้าโครงสร้างนาโนที่เชื่อมโยงกับวัตถุนาโนนั้น สามารถเข้าถึงได้ (ผ่านทางกายภาพ เคมี หรือปฏิกิริยาระหว่างกันทางชีวภาพ) ก็อาจพิจารณาได้ว่าละอองนั้นเป็นละอองนาโน
อย่างไรก็ตาม ถ้าโครงสร้างนาโนที่อยู่ภายในอนุภาคเดี่ยว ๆ ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางในระดับไมโครเมตรที่ไม่สามารถมีอิทธิพลโดยตรงต่อพฤติกรรมของอนุภาคได้นั้น (เช่น อนุภาคนาโนที่ไม่สามารถเข้าถึงได้เมื่อฝังแน่นอยู่ในแหล่งที่อยู่ที่เป็นของแข็ง) ก็อาจถูกตีความได้ว่าไม่ใช่ละอองนาโน
5. ก้อนอนุภาคนาโนที่มีแรงยึดเหนี่ยวต่ำ (Agglomerate) หมายถึง กลุ่มของอนุภาคนาโนที่เกาะตัวกันด้วยแรงยึดเหนี่ยวค่อนข้างต่ำ ซึ่งรวมถึง แรงยึดเหนี่ยววัน เดอ วาลส์ (Van Der Waals Forces-แรงยึดเหนี่ยวอ่อน ๆ ระหว่างโมเลกุลที่ไม่มีสภาพขั้วหรือไม่มีขั้ว) แรงไฟฟ้าสถิต (Electrostatic Forces) และแรงตึงผิว (Surface Tension) [ISO 2006]
6. ก้อนอนุภาคนาโนที่มีแรงยึดเหนี่ยวสูง (Aggregate) หมายถึง อนุภาคเนื้อผสมที่มีส่วนประกอบแตกต่างกันเกาะตัวกันด้วยแรงยึดเหนี่ยวค่อนข้างสูง และแยกออกจากกันได้ยาก [ISO 2006] โดยก้อนอนุภาคนาโนที่มีแรงยึดเหนี่ยวสูงเป็นตัวอย่างหนึ่งของวัสดุที่มีโครงสร้างนาโน (Nanostructured Material)
ความกังวลถึงอันตรายที่อาจส่งผลกระทบต่อสุขภาพ (Potential Health Hazards)
เนื่องจากนาโนเทคโนโลยีมีความไม่แน่นอนในหลาย ๆ เรื่อง อันเนื่องมาจากคุณสมบัติที่มีลักษณะเฉพาะตัวของวัสดุนาโนเชิงวิศวกรรม (Engineered Nanomaterials) ซึ่งถูกสร้างอยู่บนรากฐานความคิดในเชิงพาณิชย์และศักยภาพทางวิทยาศาสตร์ แต่เราเองกลับรู้เพียงน้อยนิดในเรื่องที่ว่า “ผลกระทบอะไรที่คุณสมบัติเหล่านี้ อาจก่อให้เกิดความเสี่ยงที่เป็นอันตรายต่อสุขภาพของเราได้” ซึ่งบนความไม่แน่นอนนี้ ส่วนหนึ่งเกิดขึ้นเพราะว่ามีช่องว่างในความรู้เกี่ยวกับปัจจัยต่าง ๆ ที่จำเป็นต่อการคาดการณ์ถึงความเสี่ยงที่มีต่อสุขภาพ
โดยปัจจัยที่ว่านี้ ยกตัวอย่างเช่น ช่องทางในการสัมผัส การเคลื่อนย้ายตำแหน่งของวัสดุนาโนทันทีที่เข้าสู่ร่างกายคนเรา และปฏิกิริยาของวัสดุนาโนที่มีต่อระบบชีวภาพของมนุษย์ (Biological Systems) โดยความเสี่ยงที่มีต่อสุขภาพจากการที่สัมผัสกับสารใด ๆ นั้น จะเกิดขึ้นโดยสัมพันธ์กับขอบเขตและระยะเวลาของการสัมผัส การคงอยู่ของสารนั้นในร่างกายมนุษย์ ความเป็นพิษที่มีของสารนั้น และความไวต่อสารนั้น หรือแม้แต่สภาวะสุขภาพของผู้ที่สัมผัส
ซึ่งสิ่งเหล่านี้จำเป็นต้องมีข้อมูลมากกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน โดยเฉพาะในส่วนที่เกี่ยวข้องกับความเสี่ยงต่อสุขภาพที่เชื่อมโยงกับวัสดุนาโนเชิงวิศวกรรม ผลการศึกษาในสัตว์ทดลองและมนุษย์จากการสัมผัสและการตอบสนองต่ออนุภาคขนาดเล็กมาก (Ultrafine Particles) หรืออนุภาคอื่น ๆ ที่สามารถเข้าสู่ระบบหายใจได้นั้น จะเป็นพื้นฐานสำหรับการประเมินขั้นต้นของความเป็นไปได้ของผลกระทบที่เลวร้ายต่อสุขภาพจากการสัมผัสกับวัสดุเชิงวิศวกรรมที่คล้ายคลึงกันในระดับนาโนสเกล
จากการทดลองในหนูและการทดลองในเซลล์ที่เพาะเลี้ยง ได้แสดงให้เห็นว่าอนุภาคขนาดเล็กมาก (Ultrafine Particles) และอนุภาคนาโน (Nanoparticles) มีความเป็นพิษ (Toxicity) สูงกว่าอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า โดยเป็นการเปรียบเทียบที่อยู่บนพื้นฐานที่มีมวล (Mass) และองค์ประกอบทางเคมี (Chemical Composition) ที่คล้ายคลึงกัน [ที่มา: Oberdorster et al. 1992, 1994a, b; Lison et al. 1997; Tran et al. 1999, 2000; Brown et al. 2001; Barlow et al. 2005; Duffin et al. 2007]
เช่นเดียวกับพื้นที่ผิวสัมผัสและคุณลักษณะของอนุภาคก็อาจมีอิทธิพลต่อความเป็นพิษ รวมไปถึงรูปแบบการทำงานที่บริเวณพื้นที่ผิวสัมผัส หรือการเคลือบผิว ความสามารถในการละลาย รูปร่าง และความสามารถในการก่อให้เกิดการออกซิแดนต์ และการดูดซับโปรตีนทางชีวภาพ หรือการผูกติดไปกับตัวรับ (Receptors) ด้วยเช่นกัน [ที่มา: Duffin et al. 2002; Oberdorster et al. 2005a; Maynard and Kuempel 2005; Donaldson et al. 2006]
อย่างไรก็ตาม การคาดการณ์ถึงความเป็นพิษของวัสดุนาโนเชิงวิศวกรรมบนพื้นฐานของคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของตัววัสดุเองนั้น อาจจะไม่สามารถให้การป้องกันอยู่ในระดับที่เพียงพอได้ ดังนั้นจึงอาจกล่าวได้ว่า จนกว่าจะมีผลการศึกษาวิจัยที่จะสามารถอธิบายถึงคุณลักษณะของอนุภาคนาโนที่มีความเสี่ยงอันอาจส่งผลกระทบต่อสุขภาพได้อย่างแจ่มแจ้งชัดเจนแล้วเท่านั้น เมื่อนั้น “มาตรการเฝ้าระวัง (Precautionary Measures)” จึงจะได้รับการรับรองว่ามีความเหมาะสมและสามารถป้องกันอันตรายได้อย่างแท้จริง
ช่องทางในการสัมผัส (Exposure Routes)
1. การสูดดม (Inhalation) เป็นช่องทางปกติที่สุดของการสัมผัสกับอนุภาคที่แขวนลอยในอากาศที่อยู่ในสถานที่ปฏิบัติงาน โดยผลจากงานวิจัยทดลองพบว่า การตกค้างของวัตถุนาโน (Nano-objects) เช่น ก้อนอนุภาคนาโนที่มีแรงยึดเหนี่ยวต่ำ (Agglomerate) ของวัตถุนาโน จะสามารถแยกตัวออกจากกันในช่องทางเดินหายใจ (Respiratory Tract) และขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของก้อนอนุภาคนาโนที่มีแรงยึดเหนี่ยวต่ำ จะมีผลกระทบต่อปริมาณการตกค้างและความเป็นพิษของวัตถุนาโนที่สูดดมเข้าไป [ที่มา: Shvedova et al. 2007]
และจากผลการศึกษาในหนูทดลอง พบว่าอนุภาคนาโนที่แยกตัวออกจากกันในช่องทางเดินหายใจนี้ อาจจะเคลื่อนย้ายตำแหน่งจากอวัยวะหนึ่งไปสู่อีกอวัยวะหนึ่งได้ เช่น จากช่องจมูกเข้าไปสู่สมองโดยเคลื่อนที่ไปตามเส้นประสาทรับกลิ่น [ที่มา: Oberdorster et al. 2004; Oberdorster et al. 2005a; Elder et al. 2006] แต่การสัมผัสทางการสูดดมกับอนุภาคนาโนและสารชีวภาพ (Biological Agents) ในระดับนาโนสเกลนั้น ยังไม่ปรากฏการศึกษาทดลองในมนุษย์
2. การซึมซาบเข้าทางผิวหนัง (Skin Penetration) จากรายงานการศึกษาในสัตว์ทดลอง พบว่าอนุภาคนาโนที่มีคุณสมบัติทางเคมีกายภาพ (Physicochemical Properties) ที่หลากหลายสามารถที่จะซึบซาบเข้าไปในผิวหนังของสุกรได้ [ที่มา: Ryman-Rasmussen et al. 2006] โดย ณ ช่วงเวลานี้ยังไม่เป็นที่แน่ชัดว่า อนุภาคนาโนที่ซึบซาบเข้าไปในผิวหนังของสัตว์ทดลองนั้นแล้ว จะก่อให้เกิดอันตรายใด ๆ ต่อสัตว์ทดลองนั้นหรือไม่
แต่อย่างไรก็ตาม จากการทดลองกับหนูโดยใช้ท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังเดี่ยว (Single-Walled Carbon Nanotubes: SWCNTs) พบว่าก่อให้เกิดการระคายเคืองที่ผิวหนังของหนูได้ [ที่มา: Murray et al. 2007] และจากการศึกษาในหลอดทดลองกับเซลล์ผิวหนังมนุษย์ที่เพาะเลี้ยงพบว่า ทั้งท่อคาร์บอนนาโนที่มีผนังเดี่ยว (SWCNTs) และท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้น (Multi-Walled Carbon Nanotubes: MWCNTs) สามารถที่จะทะลุผ่านเซลล์และก่อให้เกิดอาการอักเสบในระยะก่อนการแบ่งเซลล์ ภาวะการมีอนุมูลอิสระมาก และลดอัตราการอยู่รอดของเซลล์ [ที่มา: Monteiro-Riviere et al. 2005; Shvedova et al. 2003]
3. การบริโภค (Ingestion) สามารถที่จะเกิดขึ้นได้จากการนำพาวัตถุนาโนที่ติดไปกับมือเข้าสู่ปากโดยไม่ได้ตั้งใจ ซึ่งพบว่าเหตุการณ์เช่นนี้ก็เกิดขึ้นในทำนองเดียวกันกับวัตถุอื่น ๆ ที่ไม่ใช่วัตถุนาโน และมีเหตุผลที่เป็นวิทยาศาสตร์อันสมเหตุสมผลที่จะอนุมานได้ว่า ก็สามารถที่จะเกิดขึ้นได้เช่นเดียวกันในระหว่างช่วงของการดำเนินการใด ๆ กับวัสดุนาโน โดยการสัมผัสทางการบริโภคนั้นอาจจะเกิดขึ้นร่วมกับการสัมผัสทางการสูดดม
เพราะว่าอนุภาคอาจจะเคลื่อนที่จากช่องทางเดินหายใจผ่านทางถุงน้ำเมือกแล้วถูกกลืนกินเข้าไป [ที่มา: ICRP 1994] สำหรับช่องทางการสัมผัสทางการบริโภคนี้ พบว่าเรายังรู้น้อยถึงผลกระทบอันเลวร้ายจากการบริโภควัสดุนาโนเข้าไป
ข้อสมมุติฐานจากการศึกษาผลการวิจัยในสัตว์ทดลองและทางด้านระบาดวิทยา
(Hypotheses from Animal and Epidemiological Studies)
จากการศึกษาทดลองถึงผลกระทบที่มีต่อสุขภาพจากการสัมผัสกับอนุภาคขนาดเล็ก (Fine Particles) หรืออนุภาคขนาดเล็กมาก (Ultrafine Particles) ที่ผ่าน ๆ มา ถือว่าเป็นข้อมูลบนหลักการพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่มีประโยชน์และมีคุณค่าอย่างมากต่อการประเมินและคาดการณ์ว่าวัสดุนาโนเชิงวิศวกรรม (Engineered Nanomaterials) จะให้ผลกระทบในทำนองเดียวกันได้หรือไม่
และการที่วัสดุนาโนเชิงวิศวกรรมแต่ละชนิดที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันออกไปนั้น (เช่น รูปร่าง ขนาด คุณสมบัติทางเคมี หรือพื้นที่ผิวสัมผัส) สามารถที่จะส่งผลต่อความเป็นพิษ (Toxicity) ที่ต่างกันออกไปได้ด้วยหรือไม่
ดังที่ทราบกันดีว่า จากการศึกษาในมนุษย์ พบว่าอนุภาคนาโนที่ถูกสูดดมเข้าไปแล้วตกค้าง (Deposit) อยู่ในช่องทางเดินหายใจ (ทั้งในขณะพักและระหว่างการออกกำลัง) จะมีสัดส่วนที่มากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคขนาดใหญ่ [ที่มา: ICRP 1994; Jaques and Kim 2000; Daigle et al. 2003; Kim and Jaques 2004]
เช่นเดียวกับการศึกษาในสัตว์ทดลอง แสดงให้เห็นว่า อนุภาคนาโนที่ตกค้างในปอดสามารถเคลื่อนย้ายตำแหน่งไปยังอวัยวะส่วนอื่น ๆ ได้ แต่เรายังไม่ทราบอย่างแน่ชัดว่าคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของอนุภาคนาโนนั้น มีอิทธิพลต่อการเคลื่อนย้ายตำแหน่งนี้ได้อย่างไร [ที่มา: Takenaka et al. 2001; Kreyling et al. 2002; Oberdorster et al. 2002, 2004; Semmler et al. 2004; Geiser et al. 2005]
ด้วยขนาดของอนุภาคที่เล็กมาก ๆ นี่เอง จึงทำให้อนุภาคนาโนสามารถที่จะข้ามผ่านผนังเซลล์และเข้าไปทำปฏิกิริยากับโครงสร้างของเซลล์ย่อยได้ เช่น บริเวณเม็ดเล็ก ๆ ในไซโตพลาสซึมของเซลล์ (Mitochondria) และอยู่ในนิวเคลียสของเซลล์ นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นอีกว่าเป็นสาเหตุให้เกิดภาวะการมีอนุมูลอิสระมาก และยังทำให้รูปแบบการทำงานของเซลล์ที่เพาะเลี้ยงไว้บกพร่องด้วยเช่นกัน [ที่มา: Moller et al. 2002, 2005; Li et al. 2003; Geiser et al. 2005]
จากการศึกษาในสัตว์ทดลอง ยังแสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนจะมีภาวะกระทำทางชีวภาพ (Biological Activity) ได้มากกว่า อันเนื่องมาจากการมีพื้นที่ผิวสัมผัสต่อมวลมากกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าที่มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกัน [ที่มา: Oberdorster et al. 1992; 1994a,b; 2005a; Driscoll 1996; Lison et al. 1997; Brown et al. 2001; Duffin et al. 2002; Renwick et al. 2004; Barlow et al. 2005; Sager et al. 2008]
และเนื่องจากการมีคุณสมบัติภาวะกระทำทางชีวภาพที่สูงของอนุภาคนาโนนี่เอง จึงเป็นองค์ประกอบพื้นฐานสำคัญที่เป็นอัตถประโยชน์ของอนุภาคนาโนสำหรับการใช้งานหลากหลายในแวดวงของอุตสาหกรรม การพาณิชย์ และทางการแพทย์ แต่ผลลัพธ์จากการสัมผัสกับอนุภาคนาโนเหล่านี้โดยไม่ตั้งใจของผู้ปฏิบัติงานกลับมีความไม่ชัดเจน
รายงานผลการวิจัยศึกษาในสัตว์ทดลองและจากการศึกษาทางด้านระบาดวิทยา จะนำไปสู่ข้อสมมุติฐานที่เกี่ยวเนื่องกับความเป็นไปได้ที่จะก่อให้เกิดผลกระทบที่เลวร้ายจากการสัมผัสกับอนุภาคนาโนเชิงวิศวกรรม
ซึ่งข้อสมมุติฐานเหล่านี้จะอยู่บนพื้นฐานของการรายงานตามหลักการทางวิทยาศาสตร์ที่ได้จากการศึกษาผลการสัมผัสกับอนุภาคในมนุษย์และสัตว์ทดลองที่มีอยู่ แต่ยังคงต้องมีการศึกษาวิจัยอย่างต่อเนื่อง เพื่อที่จะสามารถเข้าใจได้ดียิ่งขึ้นเกี่ยวกับคุณสมบัติทางเคมีกายภาพของอนุภาค ที่มีอิทธิพลต่อความเป็นพิษของอนุภาคนั้น ๆ เพื่อที่จะสนับสนุนหรือหักล้างกับข้อสมมุติฐานเกี่ยวกับอนุภาคนาโนเชิงวิศวกรรมตามเนื้อหาที่ระบุไว้ด้านล่างนี้
สมมุติฐานข้อที่ 1: การสัมผัสกับอนุภาคนาโนเชิงวิศวกรรม (Engineered Nanoparticles) มีแนวโน้มว่าจะก่อให้เกิดผลกระทบที่เลวร้ายต่อสุขภาพในลักษณะที่คล้ายคลึงกับอนุภาคขนาดเล็กมาก (Ultrafine Particles) ที่มีคุณลักษณะทางกายภาพและทางเคมี (Physical & Chemical Characteristics) ที่คล้ายคลึงกัน
จากผลการศึกษาในหนูทดลองและมนุษย์ได้สนับสนุนข้อสมมุติฐานที่ว่า การสัมผัสกับอนุภาคขนาดเล็กมากก่อให้เกิดอันตรายต่อระบบทางเดินหายใจที่มากกว่าการสัมผัสกับอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าด้วยองค์ประกอบทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน และผลการศึกษาได้แสดงให้เห็นว่าสามารถก่อให้เกิดผลกระทบที่เลวร้ายต่อสุขภาพของผู้ปฏิบัติงานที่สัมผัสกับอนุภาคขนาดเล็กมากได้ เช่น โรคปอดจากการสัมผัสกับอนุภาคจากไอเสียของเครื่องยนต์ดีเซล หรือฟูมจากการเชื่อม เป็นต้น
และผลการศึกษาในสัตว์ทดลองได้แสดงให้เห็นว่า อนุภาคขนาดเล็กมากได้ก่อให้เกิดการอักเสบและเนื้องอกในปอดได้มากกว่าอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าโดยมีมวลเท่ากันและองค์ประกอบทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน [ที่มา: Oberdorster and Yu 1990; Driscoll 1996; Tran et al. 1999, 2000] ดังนั้น ถ้าอนุภาคนาโนเชิงวิศวกรรมมีคุณลักษณะทางเคมีกายภาพ (Physicochemical Characteristics) ที่เชื่อมโยงหรือเทียบเคียงได้กับรายงานผลกระทบจากอนุภาคขนาดเล็กมากแล้ว ก็มีความเป็นไปได้ที่จะก่อให้เกิดอันตรายขึ้นได้ในทำนองเดียวกัน
ถึงแม้ว่าคุณลักษณะทางเคมีกายภาพของอนุภาคขนาดเล็กมากและอนุภาคนาโนเชิงวิศวกรรมจะมีความแตกต่างกันตามแต่ละองค์ประกอบ รวมทั้งความเป็นพิษและปริมาณด้วย แต่จากผลการทดลองก็แสดงให้เห็นว่าทั้งอนุภาคขนาดเล็กมากและอนุภาคนาโนเชิงวิศวกรรมสามารถทำให้เกิดผลกระทบต่อปอดจากการหายใจเอาอนุภาคเหล่านี้เข้าไป [ที่มา: Donaldson et al. 1998; Donaldson and Stone 2003; Oberdorster et al. 2005a]
และจากการศึกษาทางพิษวิทยาได้แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติทางเคมีกายภาพที่มีอิทธิพลต่อความเป็นไปและความเป็นพิษของอนุภาคขนาดเล็กมากนั้น อาจจะมีความเกี่ยวพันกับกลไก (Mechanisms) ที่มีอิทธิพลต่อการสัมผัสและการตอบสนองในทางชีวภาพต่ออนุภาคในระดับนาโนสเกลอื่น ๆ ได้ด้วยเช่นกัน [ที่มา: Duffin et al. 2002; Kreyling et al. 2002; Oberdorster et al. 2002; Semmler et al. 2004; Nel et al. 2006]
และจากการศึกษาอนุภาคขนาดเล็กมาก (Ultrafine Particles) นั้น จะช่วยให้ข้อมูลขั้นต้นที่เป็นประโยชน์ในการพัฒนาสำหรับการประเมินอันตรายหรือความเสี่ยง และการตั้งข้อสมมุติฐานสำหรับการทดลองในภายภาคหน้าได้ ส่วนการศึกษาในการทดลองกับเซลล์ที่เพาะเลี้ยง ก็ได้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติความเป็นพิษต่อเซลล์ของวัสดุนาโน (Nanomaterials) อันจะเป็นแนวทางสำหรับการวิจัยต่อไปในภายภาคหน้าและรวมถึงการทดสอบถึงความเป็นพิษที่มีต่ออวัยวะแต่ละส่วนของร่างกายด้วย
ซึ่งการวิจัยจำนวนมากเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการค้นคว้าในเรื่องของคุณสมบัติเฉพาะตัวของอนุภาคต่าง ๆ และปัจจัยอื่น ๆ ที่มีผลกระทบต่อความเป็นพิษและพัฒนาการของโรค รวมถึงคุณลักษณะต่าง ๆ เหล่านั้นที่อาจใช้ในการคาดการณ์ถึงความเป็นไปได้มากที่สุดที่ก่อให้เกิดผลกระทบต่อความปลอดภัยหรือความเป็นพิษของวัสดุนาโนเชิงวิศวกรรม (Engineered Nanomaterials) ชนิดใหม่ ๆ ได้
สมมุติฐานข้อที่ 2: การพิจารณาที่พื้นที่ผิวสัมผัส (Surface Area) และภาวะกระทำ (Activity) และจำนวนอนุภาค (Particle Number) อาจจะใช้ในการคาดการณ์ถึงอันตรายที่อาจเกิดขึ้นได้ดีกว่าการพิจารณาที่มวลของอนุภาค (Mass)
ศักยภาพที่จะก่อให้เกิดอันตรายได้มากนั้น อาจสัมพันธ์กับจำนวนที่มากของอนุภาค หรือพื้นที่ผิวสัมผัสของอนุภาคนาโนเมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าโดยมีปริมาณความเข้มข้นของมวลเหมือนกัน [ที่มา: Oberdorster et al. 1992,1994a,b; Driscoll et al. 1996; Tran et al. 2000; Brown et al. 2001; Peters et al. 1997; Moshammer and Neuberger 2003; Sager et al. 2008]
ซึ่งข้อสมมุติฐานนี้อยู่บนพื้นฐานขั้นต้นจากการสังเกตผลกระทบที่มีต่อปอดจากการศึกษาในหนูทดลองที่สัมผัสกับอนุภาคขนาดเล็กมาก (Ultrafine Particles) หรืออนุภาคขนาดเล็ก (Fine particles) หลากหลายชนิด (เช่น ไทเทเนี่ยมไดออกไซด์ คาร์บอนแบล็ก แบเรี่ยมซัลเฟท โทนเนอร์ เขม่าเครื่องยนต์ดีเซล และขี้เถ้าถ่านหิน) และกับมนุษย์ที่สัมผัสกับละอองต่าง ๆ ที่รวมถึงอนุภาคในระดับนาโนสเกลด้วย (เช่น ไอเสียจากเครื่องยนต์ดีเซล หรือฟูมจากการเชื่อม)
ซึ่งผลการทดลองเหล่านี้ได้บ่งชี้ว่า อนุภาคนาโนที่ละลายได้น้อยในของเหลวจะมีอันตรายมากกว่าอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าโดยเปรียบเทียบอยู่บนพื้นฐานที่มีองค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติของพื้นที่ผิวสัมผัสที่คล้ายคลึงกัน และจากการศึกษาอนุภาคขนาดเล็กและอนุภาคขนาดเล็กมาก พบว่าอนุภาคที่มีพื้นที่ผิวสัมผัสในการทำปฏิกิริยาน้อยก็จะมีความเป็นพิษน้อยตามไปด้วย [ที่มา: Tran et al. 1999; Duffin et al. 2002]
อย่างไรก็ตาม แม้แต่อนุภาคที่มีความเป็นพิษในตัวเองต่ำ เช่น ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) ก็ยังแสดงให้เห็นว่าสามารถที่จะก่อให้เกิดการอักเสบที่ปอด เนื้อเยื่อเสียหาย และเกิดพังผืด (Fibrosis) ขึ้นได้ ถ้ามีปริมาณพื้นที่ผิวสัมผัสในการทำปฏิกิริยาสูงเพียงพอ [ที่มา: Oberdorster et al. 1992, 1994a,b; Tran et al. 1999, 2000]
คุณสมบัติของวัสดุนาโน (Nanomaterials) สามารถที่จะถูกดัดแปลงได้โดยผ่านกระบวนการทางวิศวกรรม ตัวอย่างเช่น จากการศึกษาผลการทดลองเร็ว ๆ นี้ แสดงให้เห็นว่าความเป็นพิษต่อเซลล์ (Cytotoxicity) ของโมเลกุลฟูลเลอรีนที่ละลายน้ำได้ (Water-soluble Fullerence Molecules) นั้นสามารถถูกทำให้ลดลงได้โดยการดัดแปลงโครงสร้างของโมเลกุลฟูลเลอรีนให้มีจำนวนชั้นมากขึ้น เช่น ผ่านทางกระบวนการไฮดรอกซีเลชั่น (Hydroxylation) [ที่มา: Sayes et al. 2004]
ซึ่งการดัดแปลงโครงสร้างเช่นนี้สามารถที่จะลดความเป็นพิษต่อเซลล์ลงได้ ก็เพราะเป็นการลดการก่อกำเนิดของอนุมูลออกซิเจน (Oxygen Radicals) ที่อาจเป็นกลไกหนึ่งที่ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์ (Cell Membrane) เสียหายและตายได้ในการทดลองกับเซลล์ที่เพาะเลี้ยง เช่นเดียวกับการเพิ่มรูปแบบการทำงานของผนังด้านข้างของท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังเดี่ยว (Single-Walled Carbon Nanotube: SWCNT) ก็สามารถเปลี่ยนสภาพวัสดุนาโน (Nanomaterials) เหล่านี้ให้มีความเป็นพิษต่อเซลล์ลดลงได้จากการทดลองกับเซลล์ที่เพาะเลี้ยง [ที่มา: Sayes et al. 2005]
จากการศึกษาความเป็นพิษต่อเซลล์กับควอนตัม ดอท (Quantum dots) ได้แสดงให้เห็นว่า ชนิดของการเคลือบผิวสัมผัสสามารถส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการเคลื่อนไหวและการอยู่รอดของเซลล์ [ที่มา: Hoshino et al. 2004; Shiohara et al. 2004; Lovric et al. 2005] เช่นเดียวกับความแตกต่างกันในแต่ละช่วงขององค์ประกอบของโครงสร้างผลึกนาโน (Nanocrystalline) ก็สามารถส่งผลกระทบต่อความเป็นพิษต่อเซลล์ได้ด้วยเช่นกัน
และจากการศึกษาผลการทดลองเร็ว ๆ นี้ โดยการเปรียบเทียบระหว่างไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) 2 ประเภทจากการสัมผัสกับรังสียูวี (UV radiation) พบว่า อนาเตทไทเทเนียมไดออกไซด์ (Anatase TiO2) จะมีความเป็นพิษต่อเซลล์และมีชนิดของปฏิกิริยามากกว่ารูไทล์ไทเทเนียมไดออกไซด์ (Rutile TiO2) โดยที่มีพื้นที่ผิวสัมผัสที่คล้ายคลึงกัน [ที่มา: Sayes et al. 2006] ซึ่งชนิดของปฏิกิริยาจะเชื่อมโยงกับความเป็นพิษต่อเซลล์ของไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) ที่มีต่อสมองของหนูทดลองจากการทดลองกับเซลล์ที่เพาะเลี้ยง [ที่มา: Long et al. 2006]
ในทางตรงกันข้าม จากการทดสอบในหลอดทดลอง (In Vitro) พบว่าชนิดของการก่อให้เกิดปฏิกิริยาออกซิแดนท์จะมีค่อนข้างต่ำในท่อคาร์บอนนาโนบริสุทธ์ที่มีผนังเดี่ยว (Purified SWCNT) แต่ในการทดลองกับเนื้อเยื่อหรืออวัยวะของสัตว์ทดลอง (In Vivo) พบว่า วัสดุชนิดนี้สามารถก่อให้เกิดการเจริญเติบโตอย่างมากของพังผืดที่บริเวณช่องเล็ก ๆ ในเนื้อเยื่อได้ [ที่มา: Shvedova et al. 2004; 2005]
อย่างไรก็ตาม จากการทดสอบในหลอดทดลองเร็ว ๆ นี้ บ่งชี้ว่า ท่อคาร์บอนนาโนบริสุทธ์ที่มีผนังเดี่ยวสามารถเพิ่มอัตราการงอกขยายเพิ่มขึ้นของเซลล์ (Proliferation) และการผลิตคอลลาเจน (Collagen) ในเซลล์ที่กลายเป็นพังผืด (Fibroblasts) ได้ [ที่มา: Wang et al. 2008] ดังนั้น จึงอาจสันนิษฐานได้ว่า การก่อให้เกิดการออกซิแดนท์ (Oxidant Generation) อาจจะไม่ใช่แค่กลไกเดียวเสียแล้วที่สามารถขับเคลื่อนภาวะกระทำทางชีวภาพ (Biological Activity) ของวัสดุนาโน (Nanomaterials)
ท่อนาโนคาร์บอน (Carbon Nanotubes: CNTs) เป็นหนึ่งในรูปแบบหรือโครงสร้างที่มีลักษณะเฉพาะของวัสดุนาโนเชิงวิศวกรรม (Engineered Nanomaterials) ที่มีปริมาณการผลิตและการใช้งานค่อนข้างสูงในปัจจุบัน ดังนั้น จึงมีการศึกษากันมากเกี่ยวกับความเป็นพิษ (Toxicity) ของท่อนาโนคาร์บอน
ซึ่งจากการศึกษาผลการทดลองเร็ว ๆ นี้ ได้แสดงให้เห็นว่าความเป็นพิษของท่อนาโนคาร์บอนอาจจะมีความแตกต่างไปจากวัสดุนาโน (Nanomaterials) ประเภทอื่น ๆ ที่มีองค์ประกอบทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน ตัวอย่างเช่น ท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังเดี่ยว (Single-Walled Carbon Nanotube: SWCNT) พบว่า สามารถก่อให้เกิดผลกระทบที่เลวร้ายขึ้นได้ เช่น การเกิดเนื้องอกเป็นตุ่มเล็ก ๆ (Granulomas) ขึ้นบริเวณปอดของหนู
แต่เมื่อทดลองกับอนุภาคขนาดเล็กมากของคาร์บอนแบล็ก (Ultrafine Carbon Black) ที่ระดับปริมาณมวลเดียวกัน กลับปรากฎว่าไม่ก่อให้เกิดผลกระทบเลวร้ายใด ๆ ต่อหนูเลย [ที่มา: Shvedova et al. 2005; Lam et al. 2004] ทั้ง ๆ ที่ท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังเดี่ยวและคาร์บอนแบล็กต่างก็มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบด้วยกันทั้งคู่ ซึ่งเป็นเรื่องที่ต้องพิจารณาและศึกษาทดลองกันต่อไป
สำหรับท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังเดี่ยว (SWCNT) นั้น จะมีลักษณะความเป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัว เช่น เป็นขดและมีโครงสร้างเป็นเส้นใย (Fiber) และมีพื้นที่ผิวในการทำปฏิกิริยาเคมีที่มีลักษณะเฉพาะ อันทำให้มีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าที่เป็นเลิศ แต่คุณลักษณะต่าง ๆ ที่โดดเด่นเหล่านี้ที่อาจมีอิทธิพลต่อความเป็นพิษก็ยังไม่เป็นที่ชัดเจน ซึ่งมีการสงสัยกันว่า ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) อาจจะมีการคงอยู่ของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะ
ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการผลิตที่สามารถเป็นตัวช่วยส่งเสริมความเป็นพิษของท่อนาโนคาร์บอน หรือว่าท่อนาโนคาร์บอนอาจมีโครงสร้างที่ช่วยส่งเสริมให้เกิดการเจริญเติบโตของเซลล์ที่กลายเป็นพังผืดได้ด้วยหรือไม่ [ที่มา: Wang et al. 2008]
และจากผลการศึกษา 2 กรณีในเร็ว ๆ นี้ เกี่ยวกับการทดลองสอบสวนข้อสมมุติฐานที่ว่า “ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) สามารถมีพฤติกรรมเยี่ยงแอสเบสตอส (Asbestos-แร่ใยหิน) ได้หรือไม่?” โดยในการทดลองแรกนั้น ใช้การฉีดท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้น (Multi-Walled Carbon Nanotube: MWCNT) เข้าไปที่ผนังช่องท้องของหนูทดลอง พบว่า ท่อนาโนคาร์บอนที่มีผนังหลายชั้นนี้ สามารถทำให้เกิดพังผืดที่ผนังช่องท้องของหนูในระดับปานกลางถึงรุนแรงมาก
ซึ่งผลกระทบที่เกิดขึ้นนี้คล้ายคลึงกับที่เกิดขึ้นกับหนูทดลองจากการทดลองในทำนองเดียวกันกับแอสเบสตอส แต่สำหรับแอสเบสตอสนั้นจะส่งผลกระทบที่มีขอบเขตจำกัดกว่าท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) [ที่มา:Takagi et al. 2008]
ส่วนการทดลองที่สองนั้น ได้ทำการฉีดท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้น (MWCNT) ที่มีขนาดของไฟเบอร์ทั้งแบบยาวและสั้นเข้าไปยังผนังช่องท้องของหนูทดลอง หลังจากฉีดไปแล้ว 24 ชั่วโมง หรือภายใน 7 วัน พบว่า ท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้น (MWCNT) ที่มีขนาดยาวจะก่อให้เกิดการอักเสบและเกิดรอยโรคของเนื้องอก (Granulomatous Lesions) ที่ให้ผลกระทบในเชิงปริมาณและคุณภาพคล้ายคลึงกับที่เกิดขึ้นในทำนองเดียวกับแอสเบสตอสที่มีขนาดยาวเช่นกัน (ดูรูปประกอบ) [ที่มา: Poland et al. 2008]
แต่ยังต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมว่า ถ้าการอักเสบที่เกิดขึ้นจากตอบสนองต่อท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้น (MWCNT) นี้ ยังดำรงอยู่ต่อไปจะทำให้เกิดเป็นเนื้องอกขึ้นที่ผนังช่องท้องหรือไม่ หรือศักยภาพในการเคลื่อนย้ายตำแหน่งของท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้น (MWCNT) จากปอดไปยังบริเวณเยื่อหุ้มปอด (Mesothelioma) หลังจากสูดดมเข้าไปก็ยังต้องทำการสอบสวนต่อไป
ส่วนการศึกษาในระยะยาวนั้น ก็มีความจำเป็นที่ต้องมีการพิจารณาว่า ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) สามารถก่อให้เกิดมะเร็ง (Cancer) เช่นที่เกิดบริเวณเยื่อหุ้มปอด ดังกรณีที่เกิดขึ้นกับการทดลองในสัตว์ทดลองได้หรือไม่ รวมถึงการศึกษาผลการสัมผัสในช่องทางอื่น ๆ ที่เกิดขึ้นกับผู้ปฏิบัติงานด้วย เช่น จากการสูดดม การซึมซาบเข้าทางผิวหนัง และการบริโภค
รูปที่ 2 แสดงภาพปรียบเทียบระหว่างสภาพของการตกค้างของอนุภาคของท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้น (Multi-Walled Carbon Nanotubes: MWCNTs) ในช่องทางเดินหายใจของหนูทดลองจากการสัมผัสโดยการสูดดมเข้าไป (ภาพซ้ายมือ) กับช่องทางเดินหายใจของหนูในสภาพปกติ (ภาพขวามือ)
รูปที่ 3 แสดงการก่อตัวขึ้นของคอลลาเจน (Collagen) จากการตกค้างของท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังเดี่ยว (Single-Walled Carbon Nanotube: SWCNT) ในปอดของหนูทดลอง ตามช่วงระยะเวลา 1, 3, 7 และ 28 วันตามลำดับ
ความกังวลถึงความเป็นไปได้ที่อาจส่งผลกระทบต่อความปลอดภัย (Potential Safety Hazards)
ถึงแม้ว่า ข้อมูลที่มีอยู่จะไม่เพียงพอต่อการคาดการณ์ถึงความเสี่ยงในการเกิดอัคคีภัย และการระเบิดที่เชื่อมโยงกับผงของวัสดุนาโน (Powders of Nanomaterials) แต่วัสดุที่เผาไหม้ได้ (Combustion materials) ที่มีขนาดเล็กมากในระดับนาโนสเกลสามารถที่จะก่อให้เกิดความเสี่ยงที่สูงกว่าวัสดุที่มีความหยาบ (เมื่อเทียบด้วยมวลที่คล้ายคลึงกัน) ซึ่งเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสและศักยภาพของคุณสมบัติที่มีลักษณะเฉพาะให้กับอนุภาค
อันเนื่องมาจากการที่มีขนาดระดับนาโนสเกล นอกจากนี้ วัสดุนาโนบางตัวอาจเป็นตัวเริ่มในการเร่งปฏิกิริยา (Catalytic Reactions) ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและโครงสร้างที่อาจจะหรือไม่อาจที่จะคาดเดาอยู่บนองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุนาโนนั้นได้
การสัมผัสในสถานที่ปฏิบัติงาน (Workplace Exposures)
ในระหว่างที่งานวิจัยที่จะระบุถึงความเป็นพิษของวัสดุนาโนยังคงดำเนินการอยู่นั้น ก็มีวิธีในการประเมินการสัมผัสที่หลากหลายซึ่งสามารถที่จะช่วยในการพิจารณาการสัมผัสของผู้ปฏิบัติงานกับวัสดุนาโนที่แขวนลอยในอากาศ โดยการประเมินเหล่านี้สามารถที่จะใช้กรรมวิธีแบบดั้งเดิมในการเก็บตัวอย่างทางสุขศาสตร์อุตสาหกรรม (Industrial Hygiene Sampling Methods) เช่น การเก็บตัวอย่างในพื้นที่งาน (Area Sampling)
โดยการใช้อุปกรณ์เก็บตัวอย่าง (Samplers) ที่ถูกติดตั้งแบบอยู่กับที่ในสถานที่ใดสถานที่หนึ่ง หรือการเก็บตัวอย่างที่ตัวบุคคล (Personal Sampling) เป็นการเก็บตัวอย่างในบริเวณส่วนพื้นที่หายใจของผู้ปฏิบัติงาน หรือการเก็บตัวอย่าง ณ ช่วงเวลาปฏิบัติการจริง (Real-time Devices) เป็นการใช้อุปกรณ์ในการอ่านค่าโดยตรง ณ ช่วงเวลาปฏิบัติการนั้น (Direct-reading) เป็นต้น ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว การเก็บตัวอย่างที่ตัวบุคคลมักนิยมใช้กันเพราะมั่นใจได้ว่าจะได้ค่าตัวแทนที่ถูกต้องในการสัมผัสของผู้ปฏิบัติงาน
ในขณะที่การตรวจวัดการสัมผัสจากการเก็บตัวอย่างในพื้นที่ เช่น ตัวอย่างส่วนหนึ่งของละอองขนาดต่าง ๆ และการเก็บตัวอย่าง ณ ช่วงเวลาปฏิบัติการจริง อาจจะมีประโยชน์ในเชิงการประเมินถึงความจำเป็นในการพัฒนาการควบคุมเชิงวิศวกรรมและวิธีปฏิบัติงานที่ถูกต้อง ซึ่งเทคนิคหลากหลายในการเก็บตัวอย่างจะมีประโยชน์มากสำหรับการตรวจวัดละอองนาโน (Nanoaerosols) ที่มีความสลับซับซ้อนต่าง ๆ กัน ซึ่งจะสามารถให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์สำหรับการประเมินการสัมผัสทางอาชีวอนามัยที่เกี่ยวเนื่องกับขนาดของอนุภาค มวล พื้นที่ผิวสัมผัส ปริมาณความเข้มข้น องค์ประกอบ และพื้นที่ผิวในการทำปฏิกิริยาเคมี
เกี่ยวกับเรื่องของมาตรวัด (Metric) และวิธีการตรวจวัดที่เลือกใช้สำหรับการเฝ้าติดตามการสัมผัสนั้น สิ่งที่สำคัญคือควรที่จะทราบถึงปูมหลัง (Background) ของข้อมูลการสัมผัสกับอนุภาคนาโนที่มีอยู่แต่เดิม ก่อนที่จะทำการตรวจวัดในช่วงก่อนการผลิตหรือกระบวนการใด ๆ ที่เกี่ยวข้องกับวัสดุนาโน
ส่วนการตรวจวัดในระหว่างการผลิตหรือกำลังดำเนินการใด ๆ กับวัสดุนาโนอยู่นั้น สามารถที่จะถูกประเมินเพื่อพิจารณาว่า หากมีปริมาณความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นนั้นมีความสัมพันธ์เชื่อมโยงกับข้อมูลการสัมผัสกับอนุภาคนาโนที่มีอยู่ก่อนอย่างไรบ้าง และจะเป็นการเปลี่ยนแปลงค่าตัวแทนในการสัมผัสของผู้ปฏิบัติงานไปด้วยหรือไม่
จากการศึกษาบ่งชี้ว่า ขนาดของอนุภาคจะมีบทบาทสำคัญในการพิจารณาถึงศักยภาพที่จะส่งผลกระทบที่เลวร้ายของวัสดุนาโนที่ตกค้างในระบบทางเดินหายใจ โดยจะมีอิทธิพลทั้งต่อลักษณะทางธรรมชาติในด้านกายภาพ เคมี และชีวภาพของวัสดุ รวมถึง ปริมาณพื้นที่ผิวสัมผัสของอนุภาคที่ตกค้าง และความสามารถในการเคลื่อนย้ายตำแหน่งของอนุภาคที่ตกค้างไปยังอวัยวะส่วนอื่น ๆ ของร่างกายด้วย
โดยการศึกษาในสัตว์ทดลอง บ่งชี้ว่าความเป็นพิษของอนุภาคนาโนที่สูดดมเข้าไปจะมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับพื้นที่ผิวสัมผัสและจำนวนของอนุภาคมากกว่าความเข้มข้นของมวลเมื่อเปรียบเทียบกับละอองอนุภาคที่มีขนาดต่าง ๆ กัน
ในปัจจุบัน ก็ยังไม่มีวิธีใดในการเก็บตัวอย่างแต่เพียงลำพังเดี่ยว ๆ ที่จะใช้ในการอธิบายลักษณะของการสัมผัสกับละอองอนุภาคที่มีขนาดระดับนาโนสเกลได้ ดังนั้น จึงใช้ต้องใช้เทคนิคหลากหลายร่วมกันในการเก็บตัวอย่าง (ดูรูปประกอบ)
รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างของอนุภาควัสดุนาโนเชิงวิศวกรรมที่แขวนลอยในอากาศ (Airborne Engineered Nanoparticles) ของโลหะเงิน (Silver), นิกเกิล (Nickel) และท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้น (Multi-walled Carbon Nanotubes: MWCNTs) ตามลำดับจากซ้ายไปขวา-วิเคราะห์อนุภาคโดยใช้ Transmission Electron Microscopy (TEM) และ Energy Dispersive X-ray analyzer (EDS)
รูปที่ 5 แสดงตัวอย่างของเครื่องมือในการเก็บตัวอย่างเพื่อใช้ในการตรวจวัดการสัมผัสทางอาชีวอนามัยกับอนุภาคนาโน (Nanoparticles) ซึ่งรวมถึงการพิจารณาถึงปริมาณความเข้มข้นของอนุภาค ณ ช่วงเวลาปฏิบัติการจริง และความเข้มข้นของมวลเศษส่วนหนึ่งของอนุภาค
รูปที่ 6 แสดงการใช้เทคนิคหลากหลายวิธีร่วมกันในการพิจารณาถึงการปรากฏตัวของวัสดุนาโน (Nanomaterials) เช่น Condensation Particle Counter (CPC), Optical Particle Counter (OPC) และ Filter
เอกสารอ้างอิง
- “Oversight of Next – Generation Nanotecchnology”; J.Charance Davis, Project on Emerging Nanotechnology (PEN), April 2009
- “Approach to Safe Nanatechnology” Managing the Healh and Safety Concerns Associated with Engineered Nano materials; Department of Health and Human Services, Centers for Disease Control and Prevention, National Institute for Occupation Safety and Health; DHHS (NIOSH) Publication No.2009-125, March 2009
- Current Intelligence Bulletin 60 “Interim Guidance for Medical Screening and Hazard Surveillance for Workers Potentially Exposed to Engineered Nanoparticles”; Department of Health and Human Services, Centers for Disease Control and Prevention, National Institute for Occupation Safety and Health; DHHS (NIOSH) Publication No.2009-116, Feb 2009
- “Principles for the Oversight of Nanotechnologies and Nanomaterials”; Nanotechnology Joint Declaration of 46 Organizations, Executed on July 31, 2007
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
