งานวิจัยปัจจุบัน

การใช้ประโยชน์จากไฟฟ้าแรงดันสูง และสนามไฟฟ้ามีความหลากหลายมากกว่าที่เราทราบกันอยู่ทั่วไปมาก. โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สนามไฟฟ้าความเข้มสูงถูกใช้ประโยชน์ในกระบวนการต่างๆ ในชีวิตประจำวัน ในอุตสาหกรรม และในการวิจัยอื่นๆ. ห้องปฏิบัติการไฟฟ้าแรงสูง ของคณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย มีความโดดเด่นที่แตกต่างกับสถาบันอื่นๆ ในงานที่ประยุกต์ใช้สนามไฟฟ้ากับงานต่างๆ ในลักษณะสหสาขา (Multiple-disciplines). งานวิจัยส่วนนี้ เน้นทางด้านเทคโนโลยีอนุภาค (Powder Technology) และทางด้านของไหลจุลภาค (Microfluidics). การทำงานลักษณะสหสาขา มีความท้าทายกับผู้ที่สนใจ ซึ่งจะต้องพัฒนาความรู้เพิ่มเติมในด้านต่างๆ ที่หลากหลาย.

ตัวอย่างของงานวิจัยที่อยู่ในเป้าหมายการดำเนินการปัจจุบัน (2017) มีดังต่อไปนี้.

• การศึกษาลักษณะสมบัติ Electroporation ของเซลล์
  

  เซลล์สิ่งมีชีวิตมีเยื่อหุ้มเซลล์ (Cell membrane) แบ่งแยกปริมาณภายในและภายนอกเซลล์. Electroporation เป็นเทคนิคการใช้สนามไฟฟ้ากระตุ้นให้เกิดการเบรกดาวน์ของเยื่อหุ้มเซลล์ชั่วขณะ ทำให้เกิดช่อง (Pores) บนเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งจะสามารถปิดกลับได้ เมื่อเราตัดสนามไฟฟ้าที่ป้อนให้กับเซลล์ออก. เราสามารถใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ Electroporation เพื่อทำการส่งสารที่เราต้องการเข้าสู่เซลล์ เพื่อปรับสภาวะของเซลล์ หรือปรับเปลี่ยนลักษณะสมบัติทางพันธุกรรมได้. ดังนั้น กระบวนการ Electroporation จึงเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับการดัดแปลงพันธุกรรมของเซลล์พืช และงานทางการแพทย์ด้าน Biomedical Engineering.

  อย่างไรก็ตาม ลักษณะสมบัติทางพลศาสตร์ของช่องเปิดของเยื่อหุ้มเซลล์ยังไม่เป็นที่ชัดเจน. ตัวอย่างเช่น จำนวน ขนาด และเวลาคงอยู่ของช่องเปิดที่เกิดขึ้น. การศึกษาพลศาสตร์ของปรากฏการณ์ Electroporation จะทำให้เราสามารถควบคุมการสร้างช่องเปิด เพื่อให้เกิดประโยชน์ในการใช้งานได้สูงสุด. โครงการนี้จึงมุ่งที่จะศึกษาพลศาสตร์ของ Pores โดยกำหนดให้เซลล์อยู่ในสภาวะแวดล้อมที่สามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมเยื่อหุ้มเซลล์ได้ และทำการวัดผลตอบสนองของเซลล์ เพื่อนำมาวิเคราะห์ลักษณะของ Pores ต่อไป.

  



• การประยุกต์วิศวกรรมไมโคร/นาโนในการวิเคราะห์เซลล์เลือด
  

  เลือดเป็นตัวอย่างพื้นฐานที่สำคัญสำหรับการวินิจฉัยโรคทางการแพทย์ ไม่ว่าจะเป็น การตรวจดูความสมบูรณ์ของเซลล์เม็ดเลือด, จำนวนของเซลล์เลือดชนิดต่างๆ, หรือการตรวจหาเซลล์ที่ติดเชื้อ. อย่างไรก็ตาม ยังคงมีปัญหาในกรณีที่มีข้อจำกัดของปริมาณตัวอย่างเลือด ปริมาณสาร Reagent หรือ Antibiotics ที่ต้องใช้ หรือในกรณีที่มีจำนวนจำนวนเซลล์ที่ต้องการตรวจสอบ (เช่น เซลล์ติดเชื้อ) จำนวนน้อยมาก. แนวความคิดของโครงการนี้ อยู่ที่การประยุกต์ใช้ระบบ Microfluidics ในการตรวจลักษณะสมบัติของเซลล์เลือด เพื่อวัตถุประสงค์ในการวินิจฉัยความไม่ปกติจากเลือดเต็ม. ระบบ Microfluidics สามารถใช้กับตัวอย่างที่มีปริมาณน้อยมากตั้งแต่ 1 uL ขึ้นไป และมีความไวในการทำงานสูง อีกทั้ง สามารถคัดแยกเซลล์ติดเชื้อออกจากเซลล์ปกติ เพื่อทำการทดสอบพัฒนาการของเซลล์ หรือการตอบสนองต่อยา สารกระตุ้นอื่นๆ ต่อไปได้.

  รูปทางด้านล่างแสดงตัวอย่างการตอบสนองของเซลล์เม็ดเลือดแดง ภายใต้สนามไฟฟ้าในระบบ Microfluidics. รูปบนเป็นเซลล์ภายในสภาวะปกติที่ไม่ได้รับสนามไฟฟ้า. เมื่อมีการป้อนสนามไฟฟ้าให้กับเซลล์เม็ดเลือดแดง ก็จะเกิดการเคลื่อนที่เข้าหาอิเล็กโตรด และมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์. ลักษณะผลตอบสนองเหล่านี้ ขึ้นอยู่กับความถี่ของสนามไฟฟ้าที่เซลล์ได้รับ. ดังนั้น เราสามารถหาผลตอบสนองที่แตกต่างกันของเซลล์ปกติ และเซลล์ติดเชื้อ เพื่อนำมาประยุกต์ใช้ในการวินิจฉัยโรคได้.

  
  
  



• การพัฒนากับดักอนุภาค และเซนเซอร์สนามไฟฟ้าโดยใช้อนุภาค
  

  การปนเปื้อนของอนุภาคเป็นสาเหตุหลักประการหนึ่ง ของการผิดพร่องของอุปกรณ์ฉนวนไฟฟ้าแรงสูงด้วยก๊าซชนิดต่างๆ. ทั้งนี้ อนุภาคทำให้เกิดสนามไฟฟ้าความเข้มสูงมากกว่าปกติ ที่บริเวณผิวของอนุภาค. สนามไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นสามารถกระตุ้นให้เกิดดีสชาร์จบางส่วน ซึ่งสำหรับก๊าซฉนวน SF6 จะส่งผลให้เกิดเบรกดาวน์ขึ้นในระบบได้ง่าย. ดังนั้น การศึกษาเกี่ยวกับสนามไฟฟ้าภายในระบบ พลศาสตร์ของอนุภาค และการควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาค จึงเป็นสิ่งที่มีความสำคัญอย่างยิ่ง ต่อการใช้งานระบบฉนวนไฟฟ้าแรงสูงให้มีความเชื่อมั่นได้สูง

  งานวิจัยนี้มุ่งเป้าที่จะพัฒนากับดักอนุภาค โดยอาศัยแรงไดอิเล็กโตรโฟเรซิส หรือแรงเกรเดียนต์สนามไฟฟ้า. ในโครงการที่ผ่านมา กลุ่มวิจัยของเราได้ทดสอบกับดักอนุภาคในกรณีของอนุภาคทรงกลม และอนุภาคทรงกระบอกในระบบฉนวนอากาศ. ขั้นตอนปัจจุบันนับจากนี้ จะเป็นการทดลองหารูปแบบที่เหมาะสม สำหรับกระตุ้นให้อนุภาคเกิดการเคลื่อนที่ และดักยึดอนุภาคในระบบไฟฟ้าแรงสูงที่เป็นฉนวนก๊าซอัดความดัน ซึ่งมีลักษณะกายภาพคล้ายคลึงกับระบบฉนวนไฟฟ้าแรงสูงที่ใช้อยู่ในทางปฏิบัติ.

งานวิจัยอื่นๆ

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่า พลังงานไฟฟ้าถูกใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ มากมายนับไม่ถ้วน. ระบบไฟฟ้ากำลังทำหน้าที่ป้อนพลังงานไฟฟ้าให้กับภาคอุตสาหกรรม ภาคการขนส่ง ภาคครัวเรือน และอื่นๆ. การส่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้มีประสิทธภาพทำได้โดยใช้ระบบไฟฟ้าแรงสูง เพื่อลดแรงดันตก และกำลังสูญเสียภายในระบบส่ง-จ่ายไฟฟ้า. ลักษณะสมบัติเฉพาะของระบบไฟฟ้าแรงสูงก็คือ การที่วัสดุฉนวนสามารถนำไฟฟ้าได้ เมื่ออยู่ภายใต้สนามไฟฟ้าที่สูงกว่าค่าที่วัสดุนั้นทนได้ ตัวอย่างเช่น อากาศ ซึ่งเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีในสภาวะปกติ จะเริ่มนำไฟฟ้า(หรือที่เรียกว่าดิสชาร์จ) เมื่อสนามไฟฟ้ามีค่าสูงกว่า 2.4 kV/mm โดยประมาณ. ลักษณะดังกล่าวทำให้ ระบบไฟฟ้าแรงสูงจะต้องมีการออกแบบอย่างดี เพื่อให้สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในระบบ และไม่เกิดการนำไฟฟ้าในทิศทางที่เราไม่ปรารถนาได้.

• งานวิจัยที่ดำเนินการส่วนหนึ่งเกี่ยวข้องกับระบบฉนวนไฟฟ้าแรงสูง โดยเน้นการศึกษาในระบบที่ฉนวนด้วยก๊าซ สุญญากาศ หรือของเหลว. ตัวอย่างของอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องได้แก่ GIS (gas insulated switchgears), เซอร์กิตเบรกเกอร์ชนิดก๊าซ หรือสุญญากาศ, GITL(gas insulated transmission lines), หม้อแปลงไฟฟ้าชนิดน้ำมัน. งานที่กำลังดำเนินการอยู่สนใจผลของอนุภาค (particles) ชนิดต่างๆ ที่มีต่อความสามารถในการฉนวน และพยายามหาทางควบคุม เพื่อไม่ให้อนุภาคที่อยู่ในระบบส่งผลร้ายต่อการฉนวนได้.

1. ผลของการเคลื่อนที่ของอนุภาคในระบบไฟฟ้าฉนวนก๊าซ.
   งานวิจัยนี้ศึกษา การเคลื่อนที่ของอนุภาค เมื่ออยู่ภายใต้สนามไฟฟ้า. สนามไฟฟ้าทำให้เกิดประจุเหนี่ยวนำบนอนุภาคขึ้น ซึ่งทำให้เกิดแรงไฟฟ้า (Coulomb force) กระทำกับอนุภาค. เราพบว่า อนุภาคขนาด 1 mm หรือต่ำกว่า สามารถยกตัวขึ้นด้วยแรงไฟฟ้า. การเคลื่อนที่ของอนุภาคทำให้สนามไฟฟ้าภายในระบบมีขนาดเพิ่มขึ้นได้ และอาจนำไปสู่การเกิดเบรกดาวน์ของระบบได้ในที่สุด ดังแสดงในรูปด้านล่าง.

2. ผลของรูปร่างอนุภาคต่อการเคลื่อนที่
   รูปร่างของอนุภาคก็เป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาค. ในทางปฏิบัติแล้ว อนุภาคมีรูปร่างหลากหลายแบบ ขึ้นอยู่กับชนิด และที่มาของอนุภาค. อนุภาคที่มีรูปร่างแหลมยาว คล้ายทรงกระบอกหรือเข็ม แสดงลักษณะการเคลื่อนที่ที่ซับซ้อนภายใต้สนามไฟฟ้า เช่น การหมุนรอบตัวเอง หรือหมุนรอบจุดสัมผัสกับอิเล็กโตรด การลอยค้างอยู่ในอากาศ (เรียกว่า Fire fly motion). การศึกษาผลของรูปร่างอนุภาค ทำโดยแยกใช้อนุภาค 2 แบบ คือ อนุภาคแบบทรงรี (Spheroid) เพื่อดูผลของรูปร่างเพียงอย่างเดียว และอนุภาคแบบเข็ม เพื่อดูผลของรูปร่าง และผลของโคโรน่าดิสชาร์จ ที่มีต่อการเคลื่อนที่ไปพร้อมกัน. รูปด้านล่างแสดงภาพการยกตัวของอนุภาคทรงรี ที่บันทึกได้จาก high-speed camera. เราพบว่า แรงหมุนทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้น ทำให้อนุภาคยกตัวขึ้นได้ที่แรงดันต่ำกว่าค่าที่เราคาดหมายไว้ทางทฤษฎี.

• ในขณะที่อนุภาคทำให้เกิดผลร้ายต่อระบบฉนวนไฟฟ้าแรงสูง มีอุปกรณ์ต่างๆ ใช้ประโยชน์จากแรงไฟฟ้าที่กระทำกับอนุภาค. ตัวอย่างเช่น เครื่องพิมพ์ไม่ว่าจะเป็นแบบ laser หรือ inkjet เครื่องถ่ายเอกสาร เครื่องฟอกอากาศ(ขนาดใหญ่ สำหรับโรงงานอุตสาหกรรม หรือ โรงไฟฟ้า) อาศัยแรงไฟฟ้าในการควบคุมอนุภาคที่ได้รับการอัดประจุไฟฟ้า ให้เคลื่อนที่ หรือยึดอยู่กับที่ ณ บริเวณที่เราต้องการ. ในทางปฏิบัติ เราสามารถวัดประจุไฟฟ้าบนอนุภาคได้ในภาพรวม แต่ไม่สามารถสังเกตการกระจายของประจุบนอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า 10 microns ได้ เว้นแต่จะใช้อุปกรณ์พิเศษเช่น AFM ซึ่งก็ยังคงต้องวิเคราะห์ผลการวัดที่ได้ให้ถูกต้อง. ผลการวิจัยที่ได้จากวิเคราะห์ แสดงผลของการกระจายประจุบนอนุภาคฉนวน ที่มีต่อขนาดของแรงยึดระหว่างอนุภาคฉนวน กับตัวกลางด้านล่าง ซึ่งอาจเป็นตัวนำหรือฉนวนไฟฟ้า.
• งานวิจัยกลุ่มสุดท้ายที่แนะนำในที่นี้ ยังคงเป็นการใช้ประโยชน์จากสนามไฟฟ้าต่อระบบอนุภาคในด้านของ Bioengineering. เซลล์สิ่งมีชีวิตมีลักษณะเป็นอนุภาคที่ประกอบด้วย นิวเคลียส, Cytoplasm และองค์ประกอบอื่นๆ ซึ่งถูกปิดล้อมด้วยเยื่อหุ้มเซลล์. เซลล์จะมีการตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าในลักษณะที่ขึ้นกับความถี่ไฟฟ้า. เราสามารถใช้สนามไฟฟ้าควบคุมการเคลื่อนที่ของเซลล์ด้วยแรงทางไฟฟ้าชนิด dielectrophoretic (DEP) ด้วยความถี่ไฟฟ้าที่เหมาะสม หรือแม้แต่ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์เบรกดาวน์ ทำให้เกิดช่องบนเยื่อหุ้มเซลล์. ด้วยเทคโนโลยีทางด้าน Microengineering เราสามารถสามารถอุปกรณ์ เพื่อใช้แรง DEP ในการคัดแยกเซลล์ที่ตายแล้ว แยกเซลล์ต่างชนิดได้. การเกิดช่องบนเยื่อหุ้มเซลล์ถูกนำไปใช้ในวิศวกรรมชีวภาพด้านต่างๆ ตั้งแต่ การใส่สารที่ต้องการเข้าไปในเซลล์ การเชื่อมเซลล์ด้วยไฟฟ้า (electrofusion) เพื่อดัดแปลงพันธุกรรมของเซลล์. แม้แต่ในอุตสาหกรรมอาหาร ปัจจุบันที่เทคโนโลยี pulsed electric field (PEF) ซึ่งใช้หลักการป้อนสนามไฟฟ้าเพื่อให้เยื่อหุ้มเซลล์เบรกดาวน์อย่างถาวร เพื่อช่วยในการฆ่าเชื้อจุลินทรีย์ หรือช่วยในการสกัดน้ำ สารอาหารต่างๆ ออกจากเซลล์. รูปทางด้านล่างเป็นผลการทดลองกับเซลล์พืช โดยใช้ชิพ microfluidic ทีสร้างขึ้นที่แล็บ. จากรูปด้านล่าง เราจะเห็นเซลล์ถูกดึงดูดด้วยแรง DEP เข้าสู่บริเวณกลางรูป. หลังจากนั้น เมื่อป้อนสนามไฟฟ้าความถี่ต่ำให้กับเซลล์ โดยใช้แรงดันค่ายอดประมาณ 10 V เราสามารถกระตุ้นให้เยื่อหุ้มเซลล์เกิดเบรกดาวน์อย่างสมบูรณ์ ซึ่งนำไปสู่การตายของเซลล์ ทำให้สามารถสกัดสารภายในเซลล์ออกมาได้อย่างมีประสิทธิภาพ.

• การประยุกต์ใช้สนามไฟฟ้าในการกระตุ้นให้เซลล์เกิดการเบรกดาวน์ในทางอุตสาหกรรม จะทำกับสารที่ไหลอยู่ภายใน treatment chamber. การป้อนสนามไฟฟ้าใน treatment chamber ดังกล่าว จะต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง ไม่ว่าจะเป็นการกระจายสนามไฟฟ้า ความเร็วของการไหล อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เพื่อให้มั่นใจได้ว่าการจัดการด้วยสนามไฟฟ้าจะเป็นไปอย่างทั่วถึง และไม่เกิดผลข้างเคียงเนื่องจากการเพิ่มอุณหภูมิเนื่องจากกระแสไฟฟ้าด้วย. ดังนั้น นอกจากการศึกษาโดยอาศัยการทดลองแล้ว เรายังใช้วิธีคำนวณสนามแบบเชิงเลข จำลองการกระจายของสนามไฟฟ้า ลักษณะการไหลภายใน treatment chamber และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น.