ทีมนักวิจัยจากภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ได้มีความร่วมมือกับทีมวิจัยจากศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ (National Security and Dual-Use Technology Center: NSD) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ในการร่วมพัฒนาวัสดุนาโนทังสเตนไตรออกไซด์เติมด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดแลนทานัมออกไซด์ ซึ่งถูกใช้เป็นวัสดุหลักสำหรับการตรวจจับแก๊สพิษชนิดไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO2) ได้อย่างจำเพาะ โดยมุ่งเน้นการนำไปใช้ประโยชน์ในการพัฒนาเป็นต้นแบบเซนเซอร์สำหรับตรวจจับแก๊สพิษภายใต้ความเข้มข้นต่ำที่ถูกปลดปล่อยจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงจากยานยนต์และโรงงานอุตสาหกรรมสู่สิ่งแวดล้อม ด้วยระดับความเข้มข้นของปริมาณแก๊สที่ถูกควบคุมความอันตราย ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของสารตั้งต้นที่สำคัญสำหรับการก่อตัวของ PM2.5 ในสิ่งแวดล้อม ซึ่งถือว่าเป็นมลพิษหลักทางอากาศที่มีความอันตรายต่อระบบทางเดินหายใจ รวมถึงยังส่งผลกระทบด้านสุขภาพด้านอื่นของประชากรในปัจจุบันอย่างมาก
ในการดำเนินงานวิจัย ได้ทำพัฒนาการสังเคราะห์วัสดุโครงสร้างนาโนทังสเตนไตรออกไซด์เติมด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดแลนทานัมออกไซด์ (La2O3/WO3) โดยใช้เทคนิคการพ่นละอองฝอยด้วยเปลวไฟ (Flame Spray Pyrolysis) ที่สามารถกำหนดขนาดและโครงสร้างของวัสดุภายใต้ขั้นตอนเดียวด้วยการใช้เวลาสังเคราะห์ในระดับวินาทีได้เป็นครั้งแรก
อีกทั้งยังศึกษาถึงสมบัติที่มีความโดดเด่นทั้งในเชิงกายภาพและเชิงเคมีต่อการตรวจจับแก๊ส NO2 ได้อย่างจำเพาะ ด้วยการคิดค้นกลไกการตรวจจับแก๊สด้วยการผสมผสานองค์ความรู้สหสาขาวิชาหลายแขนง ถูกตีแผ่ผ่านการนำเสนอด้วยการสร้างแผนภาพของแบบจำลองเชิงกลไกทางไฟฟ้าและเคมีของการตรวจจับแก๊สดังกล่าวในระดับ ppb เพื่อให้เกิดความเข้าใจได้ง่ายอย่างน่าสนใจ จึงทำให้งานวิจัยนี้ ได้ถูกคัดเลือกให้ลงเป็นภาพปกวารสาร ACS Applied Nano Materials ประจำเดือนมกราคม 2566 เล่มที่ 6 ฉบับที่ 2
จากผลงานวิจัยพบว่า ความโดดเด่นของวัสดุนาโนทังสเตนไตรออกไซด์เติมด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดแลนทานัมออกไซด์นี้ ได้แสดงถึงความจำเพาะทั้งชนิดและโครงสร้างวัสดุที่สามารถควบคุมการเกิดปฏิกิริยาเคมีเชิงพื้นผิวที่มีค่าสูงต่อการแตกตัวของโมเลกุลแก๊ส NO2 ความเข้มข้นต่ำถึง 50 ppb ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อเทียบกับความไวในการตรวจจับแก๊สชนิดอื่นในสิ่งแวดล้อมที่มีค่าต่ำกว่าอย่างชัดเจน ภายใต้การทดสอบด้วยตัวแปรการตอบสนอง ทั้งอุณหภูมิ ความหนาของชั้นฟิล์ม และปริมาณความชื้นที่มีความเหมาะสมต่อการนำไปใช้งานได้จริงในสิ่งแวดล้อมให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุด โดยแสดงผลการตรวจวัดแก๊สได้ด้วยสัญญาณทางไฟฟ้าที่เปลี่ยนไปตามค่าความเข้มข้นแก๊ส NO2 ซึ่งสัมพันธ์กับข้อมูลเชิงสิ่งแวดล้อมสำหรับค่าความเข้มข้นเฉลี่ยที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงจากเครื่องยนต์และจากโรงงานอุตสาหกรรม ในระดับความเข้มข้นที่ต่ำกว่า 5 ppm ซึ่งถือว่าเป็นปริมาณสารตั้งต้นที่มากพอต่อการเกิดมลพิษ PM2.5 ทางอากาศในปัจจุบันได้อีกทางหนึ่ง ด้วยการตรวจวัดค่าความเข้มข้นของแก๊ส NO2 ในช่วงดังกล่าวนี้ ได้ถูกประมวลผลด้วยค่าความไวและแสดงความเสถียรภาพต่อการใช้งานได้ในระดับสูงอย่างมีนัยสำคัญ จึงมีความเป็นไปได้ในการพัฒนาวัสดุกลุ่มนี้สู่ต้นแบบแก๊สเซนเซอร์ที่มีประสิทธิภาพต่อการนำไปใช้งานได้จริงอย่างเป็นรูปธรรม เพื่อเป็นส่วนหนึ่งในการช่วยแก้ไขปัญหาโจทย์วิจัยด้านสิ่งแวดล้อมต่อไป
งานวิจัยนี้สามารถสร้างผลกระทบทั้งในเชิงวิชาการที่เกิดจากการพัฒนางานวิจัย ด้วยการใช้องค์ความรู้จากสหสาขาวิชา ก่อให้เกิดผลงานวิจัยที่มีคุณภาพสูงเป็นที่ยอมรับในระดับสากล ซึ่งก่อให้เกิดผลกระทบเชิงสังคมด้วยการเพิ่มโอกาสในการนำงานวิจัยไปใช้งานได้จริงอย่างเป็นรูปธรรม เพื่อช่วยแก้ปัญหาด้านอุตสาหกรรมและสิ่งแวดล้อมได้อย่างมีประสิทธิภาพ
อีกทั้งงานวิจัยนี้ยังมีแนวทางการศึกษาภายใต้เป้าหมายของการพัฒนาที่ยั่งยืนกับ SDG9 ด้วยการพัฒนางานวิจัยเชิงนวัตกรรมให้เกิดการนำองค์รู้บูรณาการจากสหสาขาวิชาไปต่อยอดสู่การพัฒนางานวิจัยที่สามารถใช้ประโยชน์ได้จริงอย่างเป็นรูปธรรม เพื่อเป็นจุดเริ่มต้นของการพัฒนางานวิจัยที่สามารถช่วยแก้ปัญหาเชิงอุตสาหกรรมได้ มากไปกว่านั้น ตามแนวทางของการพัฒนาด้วยSGD ดังกล่าว ยังสามารถสร้างผลกระทบเพื่อช่วยแก้ไขปัญหาและมาตรการเร่งด่วนเชิงสิ่งแวดล้อมเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและผลกระทบจากมลภาวะ PM2.5 ภายใต้เป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืนของ SDG 13 ได้อย่างสอดคล้องกัน
Publication Date:January 17, 2023 https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04392
About Author
