CoverLogo (48)

เทคโนโลยีสังเคราะห์วัสดุเรืองแสง ต่อยอดเทคโนโลยีอนาคต

อนาคตอุปกรณ์ภาพแสง หรือการสื่อสารที่มีแสงเข้ามาเกี่ยวข้องกำลังขยับปรับเปลี่ยนไปอย่างรวดเร็ว ผู้คนกำลังมองหาอุปกรณ์แสดงผลจอภาพ ไม่ว่าจะเป็นโทรทัศน์ หรือมือถือ ที่ประหยัดพลังงานมากขึ้น มีความรวดเร็วมากขึ้น มีความคมชัดของภาพมากขึ้น มีความปลอดภัยมากขึ้น แต่วัสดุชนิดนั้นควรจะเป็นอะไรดี และผลิตมาอย่างไร ในบทความนี้อาจจะเป็นอีกหนึ่งตัวเลือกของเทคโนโลยีใหม่ที่กำลังจะมาในอนาคตก็เป็นได้

ทำไมต้องสารฟลูออเรสเซนต์

การพัฒนาเทคโนโลยีและนวัตกรรมต่างๆในปัจจุบัน เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเพื่อให้เกิดการพัฒนาแบบไม่มีสิ้นสุดและคงประโยชน์ต่อทรัพยากรมนุษย์และสิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีเกี่ยวกับอุปกรณ์ทางแสงที่ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงการใช้ชีวิตของมนุษย์ โดยเฉพาะด้านการติดต่อสื่อสาร ที่อยู่อาศัย การประหยัดพลังงานเพื่ออนุรักษ์สิ่งแวดล้อม ไม่ว่าจะเป็น อุปกรณ์ไฟฟ้าแสงสว่างและอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีจอแสดงผล ล้วนแล้วแต่ใช้เทคโนโลยีของสารที่ให้คุณสมบัติทางแสงหรือที่เรียกว่าสารฟลูออเรสเซนต์ ทั้งสิ้น จึงเป็นที่มาของงานวิจัยนี้ เพื่อที่จะพัฒนาสารฟลูออเรสเซนต์ให้เกิดคุณประโยชน์ต่อการนำไปใช้งานได้หลากหลายมากขึ้น และเนื่องจากโครงสร้างโมเลกุลของสารฟลูออเรสเซนต์ อาศัยการทำงานของส่วน “ฟลูออโรฟอร์” คือส่วนที่แสดงถึงคุณสมบัติการคายแสงฟลูออเรสเซนต์ เมื่อมีการดูดกลืนพลังงานในช่วงความยาวคลื่นที่เหมาะสม ดังนั้นการพัฒนาประสิทธิภาพของสารฟลูออเรสเซนต์จึงขึ้นอยู่กับการปรับเปลี่ยนโครงสร้างฟลูออโรฟอร์เพื่อพัฒนาความว่องไวของสาร ซึ่งในงานวิจัยนี้ ได้ศึกษาการปรับเปลี่ยนโครงสร้างของสารฟลูออเรสเซนต์โดยการทดสอบการ แทนที่ด้วยหมู่ฟังก์ชันทางเคมีต่างๆ เพื่อวิเคราะห์คุณสมบัติทางแสงที่เปลี่ยนแปลงไปในสารผลิตภัณฑ์ใหม่ที่เกิดขึ้นเพื่อนำไปประยุกต์ใช้ให้เหมาะกับการใช้งาน ยกตัวอย่างเช่น การนำสารฟลูออเรสเซนต์ ไปประยุกต์ใช้ในการประดิษฐ์วัสดุเส้นใยแก้วนำแสงหรือไฟเบอร์ออปติก เนื่องจากมีคุณสมบัติเด่นที่สามารถส่งผ่านข้อมูลได้อย่างรวดเร็ว เป็นต้น ยิ่งกว่านั้นจุดเด่นที่สำคัญที่สุดของสารฟลูออเรสเซนต์ก็คือ ไม่มีการใช้ความร้อนจากภายนอก แต่จะใช้แสงในตัวมันเอง เป็นแหล่งพลังงานที่มีลักษณะเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จึงเป็นที่มาของคำว่าฟลูออเรสเซนต์ชนิดสารอินทรีย์นั่นเอง

สารฟลูออเรสเซนต์ทำงานอย่างไร

งานวิจัยนี้เสนอการสังเคราะห์สารที่มีความไวต่อแสงเพื่อนำไปประยุกต์ใช้ในการพัฒนาอุปกรณ์ ที่ทำงานภายใต้กระบวนการทางแสง และเพื่อนำไปสู่การนำไปพัฒนาเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางแสงชนิดสารอินทรีย์ เช่น ไดโอดเปล่งแสง เป็นต้น และงานวิจัยนี้ได้เริ่มสังเคราะห์จากการใช้สารในกลุ่ม naphthalenetetracarboxylic dianhydride (NTDA) ที่มีจำหน่ายในท้องตลาด เพื่อสังเคราะห์สารเรืองแสง และหนึ่งในสารเรืองแสงของกลุ่มสารฟลูออโรฟอร์ ที่ชื่อว่า สารอนุพันธ์แนฟทาลิไมด์ ซึ่งสังเคราะห์ผ่านปฏิกิริยาดีคาร์บอกซีเลทีฟครอสคัปปลิง เพื่อนำไปประยุกต์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางแสงชนิดสารอินทรีย์ ซึ่งคุณสมบัติของสารอนุพันธ์แนฟทาลิไมด์ อาศัยหลักการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นที่สูงและเกิดการคายแสงในช่วงความยาวคลื่นที่สั้นลงกว่าที่ดูดกลืนมา

เมื่อปรับเปลี่ยนโครงสร้างสารอนุพันธ์แนฟทาลิไมด์ ตรงตำแหน่งคาร์บอนที่4(C4) เนื่องจากเป็นตำแหน่งที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงสัญญาณของการเปล่งแสงหรือฟลูออเรสเซนต์ ด้วยหมู่แทนที่ที่มีคุณสมบัติเหนี่ยวนำให้เกิดการดูดกลืนแสงและการคายแสงที่ความยาวคลื่นที่สั้นลง เช่นหมู่ฟังก์ชันเอมีนและหมู่ฟังก์ชันแอลลีลที่มีคุณสมบัติให้อิเล็กตรอนที่ดี จะเกิดเป็นสาร peri-diarylated naphthalimides ซึ่งมีสมบัติทางแสงและทางอิเล็กทรอนิกส์สูง อิทธิพลของหมู่แทนที่เหล่านี้ที่ปรับเปลี่ยนสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ของสารอนุพันธ์แนฟทาลิไมด์ ทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่สีของแสงเปลี่ยน ที่เกิดจากค่าความแตกต่างของความยาวคลื่นที่เกิดการดูดกลืนแสงและเกิดการคายแสงต่างกันมากๆ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ดีมากต่อการนำไปประดิษฐ์เป็นเส้นใยแก้วนำแสง ที่นำไปประยุกต์ใช้ในวงการแพทย์ หรือวงการส่งสัญญาณอินเตอร์เน็ตผ่านเส้นใยแก้วนำแสง

วิธีเตรียมสารฟลูออเรสเซนต์ทำอย่างไร

งานวิจัยนี้ ได้เริ่มต้นจากการทดสอบหาตัวทำละลายที่เหมาะสมต่อการเกิดปฏิกิริยาดีคาร์บอกซีเลทีฟครอสคัปปลิงระหว่าง สาร n-butylimide naphthalene 1,8-dicarboxylate กับ iodobenzene ซึ่งพบว่า ตัวทำละลายที่เหมาะสมต่อการเตรียมสารอนุพันธ์แนฟทาลิไมด์ คือ ตัวทำละลายไดเมธิลฟูมาเรท(DMF) โดยให้%ผลผลิตสูงสุดที่ 81% หลังจากนั้น ได้ทำการทดสอบตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต้องใช้ในการเกิดปฏิกิริยา เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของปฏิกิริยา ผลการวิจัยพบว่า ตัวเร่งปฏิกิริยา PdCl2 ให้ %ผลผลิตสูงสุดที่ 88%

เมื่อได้ สารอนุพันธ์แนฟทาไลไมด์แล้ว ทำการแทนที่คาร์บอนตำแหน่งที่4 ของอนุพันธ์แนฟทาไลไมด์ ที่สังเคราะห์ได้จากการทดลองข้างต้น ด้วยหมู่ฟังก์ชันเอมีน(4-amine), หมู่ฟังก์ชันแอคอกซี่(4-alkoxy) หรือหมู่ฟังก์ชันแอลลีลที่มีคุณสมบัติให้อิเล็กตรอนที่ดี(4-aryl) เกิดเป็นสารผลิตภัณฑ์ตามตารางตั้งแต่ 3a ถึง 3j และพบว่า สารผลิตภัณฑ์ ตั้งแต่ 3b ถึง 3j มี%ผลผลิตที่ดีที่สุด อยู่ในช่วง 29-57% yields แต่ สาร3a มีค่า %ผลผลิตที่ค่อนข้างต่ำ เมื่อวิเคราะห์คุณสมบัติทางแสงของสารผลิตภัณฑ์ พบว่าสารผลิตภัณฑ์ peri-diarylated naphthalimides( 3a-3j ) ให้ค่าการเปล่งแสงสูงสุด(λem) ในช่วง 429-587 nm และให้สีเรืองแสงหลายหลายสี ตั้งแต่ เฉดสีฟ้า, เขียว, เหลือง และส้ม ซึ่งสีที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับสารผลิตภัณฑ์ที่ถูกแทนที่ด้วยหมู่ฟังก์ชันที่แตกต่างกันนั่นเอง และจากผลการทดลองทำให้พบว่า ผลิตภัณฑ์ 3d ที่ได้จากการแทนที่คาร์บอนตำแหน่งที่4ของอนุพันธ์แนฟทาไลไมด์ ด้วยN,N-Dimethylformamide; NMe2 และ 3j ที่ได้จากการแทนที่ด้วย Methoxy; OMe ให้ค่าแตกต่างของความยาวคลื่นของการดูดกลืนแสงและการคายแสงที่แตกต่างกันมาก ส่งผลให้มีค่าการเลื่อนของความยาวคลื่นหรือค่า Stokes shift ที่กว้างมาก ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ต้องการ สำหรับการนำไปประดิษฐ์เป็นเส้นใยแก้วนำแสง ที่นำไปประยุกต์ใช้การวงการแพทย์ หรือวงการส่งสัญญาณอินเตอร์เน็ตผ่านเส้นใยแก้วนำแสง

ทั้งนี้สารผลิตภัณฑ์ peri-diarylated naphthalimides( 3a-3j )จากงานวิจัยนี้ เป็นสารผลิตภัณฑ์เรืองแสงที่ให้แสงสีที่หลากหลายขึ้นอยู่กับหมู่แทนที่ ตั้งแต่ เฉดสีฟ้า, เขียว, เหลือง และส้ม ที่สามารถนำไปประดิษฐ์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางแสงชนิดสารอินทร์ย์ต่างๆได้เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารอินทรีย์(OPVs), ไดโอดเปล่งแสง(OLEDs), เซ็นเซอร์ หรือ ดายเลเซอร์เป็นต้น และอีกทั้งยังค้นพบ สารผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติทางแสงที่ดีมากสามารถนำไปใช้ในกระบวนการผลิตเส้นใยแก้วนำแสงที่เป็นอุปกรณ์ที่ใช้แสงเป็นตัวนำส่งข้อมูล ที่เป็นคุณสมบัติที่ช่วยไม่ทำให้เกิดการรบกวนจากสัญญาณแม่เหล็กภายนอกได้ จึงทำให้เกิดการส่งข้อมูลที่รวดเร็วอีกด้วย

แนวทางและความคาดหวังที่จะได้รับจากงานวิจัย

งานวิจัยนี้ ได้สร้างแนวทางการศึกษาวิธีการสังเคราะห์สารเพื่อนำไปประดิษฐ์เป็นวัสดุทดแทนการใช้พลังงานไฟฟ้า ด้วยการสร้างพลังงานจากคุณสมบัติทางแสงของสารเพื่อก่อให้เกิดประโยชน์และเป็นสิ่งจำเป็นในอนาคต ซึ่งเป็นแนวทางช่วยลดการใช้พลังงานสิ้นเปลืองได้ในระยะยาว และสร้างนวัตกรรมใหม่หรือสื่อนวัตกรรมใหม่ จากสารที่มีคุณสมบัติทางแสงที่ผลิตได้จากงานวิจัยนี้ และในประเทศไทยยังมีแหล่งข้อมูลที่ถ่ายทอดเกี่ยวกับเรื่องนี้ไม่แพร่หลายมากนัก งานวิจัยนี้จึงเป็นประโยชน์อย่างมากต่อผู้สนใจ จากจุดเด่นของสารที่สังเคราะห์ได้นี้ หากมีการนำไปต่อยอดในขั้นตอนการประยุกต์ใช้งานในเชิงพาณิชย์ จะเป็นการช่วยเสริมสร้างมูลค่าของสินค้าและความแปลกใหม่ที่ถือว่าเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างมากในยุคของการแข่งขันสูงและพัฒนาอย่างรวดเร็วในยุคสมัยนี้ และในอนาคตก็อาจจะเป็นไปได้ที่จะไม่มีการใช้อุปรณ์ที่ต้องใช้การชารต์พลังงานไฟฟ้า แล้วหันมาใช้อุปกรณ์ที่รักษ์โลกเหล่านี้แทน อีกทั้งยังเป็นวัสดุที่ลดการใช้สารเคมีที่ไม่มีความเป็นพิษและไม่มีรังสีอันตรายใดๆต่อมนุษย์และสิ่งแวดล้อม จึงเหมาะสมอย่างมากที่จะนำไปเป็นแนวทางการพัฒนาที่ยั่งยืนมากขึ้นต่อไปในอนาคต

อ้างอิงข้อมูลจาก

โครงการวิจัย “การสังเคราะห์สารประกอบไรลีนไดอิมมิดขนาดปานกลางโดยวิธีสังเคราะห์แบบทำซ้ำแบบลู่ออกและลู่เขา”

หัวหน้าโครงการ : ปวเรศร์ เหลียววนวัฒน์
สนับสนุนโดย : สำนักงานคณะกรรมการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (สกสว.)

เรียบเรียง ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์
กราฟิก ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์

 

 

00:00
00:00
Empty Playlist