นักวิทย์ฯ เผยแนวคิด 'เครื่องเร่งอนุภาคจิ๋ว' บนโต๊ะทำงาน พลิกวงการแพทย์

ลืมภาพเครื่องเร่งอนุภาคขนาดมหึมาไปก่อน เพราะงานวิจัยชิ้นใหม่จากทีมนักฟิสิกส์ นำโดย Carsten P Welsch กำลังจะย่อส่วนเทคโนโลยีนี้ให้เหลือขนาดแค่บนโต๊ะทำงาน! พวกเขาค้นพบวิธีสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่สามารถผลิตรังสี X-ray ความเข้มสูงได้ โดยใช้เพียงอุปกรณ์ขนาดเล็กระดับไมโครชิป ซึ่งอาจเปลี่ยนโฉมหน้าวงการวิทยาศาสตร์และการแพทย์ไปอย่างสิ้นเชิง

ปัจจุบัน การสร้างรังสี X-ray ความเข้มสูงต้องพึ่งพาสถานที่อย่าง Synchrotron light source (แหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอน) ซึ่งมีขนาดใหญ่โตเท่าสนามฟุตบอล แต่แนวคิดใหม่นี้กลับเสนอวิธีที่ต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง โดยใช้โครงสร้างจิ๋วที่เรียกว่า Carbon nanotubes (ท่อนาโนคาร์บอน) ร่วมกับแสงเลเซอร์ เพื่อสร้างรังสี X-ray คุณภาพสูงบนอุปกรณ์ขนาดเล็กจิ๋ว

หลักการทำงานที่น่าทึ่งนี้อาศัยคุณสมบัติพิเศษของแสงที่เรียกว่า Surface plasmon polaritons ซึ่งเป็นคลื่นที่ก่อตัวขึ้นเมื่อแสงเลเซอร์เกาะติดกับพื้นผิวของวัสดุ ในการจำลอง 3D ทีมวิจัยได้ยิงแสงเลเซอร์ชนิดโพลาไรซ์วงกลม (Circularly polarised laser) ซึ่งมีลักษณะบิดเป็นเกลียวเหมือนที่เปิดขวดไวน์เข้าไปในท่อนาโนคาร์บอน แสงที่บิดเกลียวนี้จะดักจับและเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนที่อยู่ภายในให้เคลื่อนที่เป็นเกลียวตามไปด้วย และเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่พร้อมเพรียงกัน มันจะปลดปล่อยรังสีออกมาอย่างพร้อมเพรียง ทำให้ความเข้มของแสงเพิ่มขึ้นมหาศาล

ความพิเศษของ Carbon nanotubes คือมันสามารถทนต่อสนามไฟฟ้าที่สูงกว่าเครื่องเร่งอนุภาคทั่วไปหลายร้อยเท่า และเมื่อนำมาเรียงตัวกันเป็น 'ป่า' ของท่อกลวง ก็จะสร้างสภาวะที่เหมาะเจาะให้แสงเลเซอร์บิดเกลียวทำงานร่วมกับอิเล็กตรอนได้อย่างสมบูรณ์แบบ เหมือนกุญแจที่พอดีกับแม่กุญแจ ซึ่งทีมวิจัยเรียกว่ากลไก 'Quantum lock-and-key' ผลลัพธ์คือสนามไฟฟ้าพลังสูงระดับหลาย Teravolts (ล้านล้านโวลต์) ต่อเมตร ซึ่งเป็นสิ่งที่เทคโนโลยีปัจจุบันยังทำไม่ได้

ที่น่าสนใจคือ การพัฒนานี้อาจเข้ามาแก้ปัญหาใหญ่ของวงการวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน ที่นักวิจัยต้องต่อคิวรอใช้เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่เป็นเวลาหลายเดือนเพื่อการทดลองเพียงไม่กี่ชั่วโมง หากเครื่องเร่งอนุภาคบนโต๊ะทำงานนี้สำเร็จ มันจะทำให้เทคโนโลยีล้ำสมัยนี้กระจายไปสู่โรงพยาบาล มหาวิทยาลัย และห้องปฏิบัติการอุตสาหกรรมได้ง่ายขึ้น ลองจินตนาการถึงการทำแมมโมแกรมที่คมชัดขึ้น การออกแบบยาที่เร็วขึ้น หรือการทดสอบวัสดุใหม่ๆ ที่ทำได้ทันที

แม้ว่าตอนนี้ทุกอย่างยังอยู่ในขั้นตอนการจำลองผ่านคอมพิวเตอร์ แต่ส่วนประกอบที่จำเป็นอย่างเลเซอร์กำลังสูงและท่อนาโนคาร์บอนก็มีอยู่แล้วในห้องปฏิบัติการชั้นนำ ขั้นตอนต่อไปคือการพิสูจน์เชิงทดลอง ถ้าทำได้สำเร็จ นี่จะเป็นจุดเริ่มต้นของเครื่องกำเนิดรังสีขนาดจิ๋วรุ่นใหม่ ที่จะเปิดประตูให้เหล่านักวิจัยเข้าถึงเครื่องมือระดับโลกได้ง่ายขึ้น...สงสัยว่าอนาคตเราอาจจะมีเครื่องเร่งอนุภาคติดบ้านกันคนละเครื่องก็ได้ ใครจะไปรู้!