วัตถุเบาที่สุดในโลกได้ไอเดียจาก “หอไอเฟล”

โครงตาข่ายซ้อนเป็นชั้นๆ จากเส้นโลหะบางเท่าเส้นผมคือวัตถุที่เบาที่สุดในโลกขณะนี้ หนาแน่นน้อยกว่าอากาศ และยังมีความแข็งแกร่งมากกว่าวัสดุเดิมๆ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ผู้พัฒนาได้แรงบันดาลใจในการสร้างจาก “หอไอเฟล” อันโด่งดัง

แม้ว่าปัจจุบันเรามี “แอโรเจล” (aerogel) ซึ่งมีชื่อเรียกเล่นๆ ว่า “ควันแช่แข็ง” (frozen smoke) เป็นวัตถุที่เบาที่สุดในโลก โดยมีความหนาแน่นที่อุณหภูมิห้องและระดับน้ำทะเลน้อยกว่าอากาศ คือ หนาแน่นเพียง 1 มิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร แต่ไลฟ์ไซน์ระบุว่าปัญหาของแอโรเจลคือการมีโครงสร้างอย่างสุ่ม

แอโรเจลนั้นได้จากของเหลวในเจลถูกแทนที่ด้วยอากาศ เหลือเพียงของแข็งที่พันกันยุ่งเหยิง ซึ่งสถาปัตยกรรมที่ไร้ระเบียบของสสารเหล่านี้ทำให้วัสดุชนิดนี้เปรอะบางกว่าโฟมทั่วไป ซึ่งเป็นวัสดุตั้งต้นในการผลิตแอโรเจลนี้ มาถึงตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ได้ประดิษฐ์โครงตาข่ายโลหะที่เบาและมีความหนาแน่นต่ำมากๆ แต่มีโครงสร้างที่เป็นระเบียบ ซึ่งวัสดุใหม่นี้มีระดับความคงรูป ความแข็งแกร่งและการนำไฟฟ้าที่สูงกว่าโฟมแบบดั้งเดิมที่เป็นวัสดุตั้งต้นในการผลิต

โทเบียส สแชดเลอร์ (Tobias Schaedler) นักวิจัยวัสดุที่เบาที่สุดในโลกนี้จากห้องปฏิบัติการเอชอาร์แอล (HRL Laboratories) มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียในเออร์ไวน์ (University of California, Irvine ) ในมาลิบู แคลิฟอร์เนีย สหรัฐฯ กล่าวว่า เป้าหมายของทีมวิจัยคือการพัฒนาวัสดุที่มีน้ำหนักเบา โดยนำหลักการของสถาปัตยกรรมเข้ามาใช้ในการออกแบบวัสดุ ทั้งนี้งานวิจัยของพวกเขาได้ตีพิมพ์ลงวารสารไซน์ (Science)

สแชดเลอร์เปรียบกับหอไอเฟลและสะพานโกลเดนเกท ซึ่งเบาและแข็งแรงอย่างเหลือเชื่อเมื่อดูจากขนาดของสิ่งก่อสร้างทั้งสอง แต่ด้วยสถาปัตยกรรมทำให้หอไอเฟลสูงและเบามากกว่าปิรามิด ซึ่งเป็นผลจากการออกแบบ และทีมวิจัยต้องการบรรลุความสำเร็จอย่างเดียวกันในการออกแบบโครงสร้างของวัสดุด้วย

นักวิจัยเริ่มต้นผลิตวัสดุด้วยโฟโตพอลิเมอร์เหลว (photopolymer) ซึ่งโมเลกุลจะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเมื่อได้รับแสง จากนั้นพวกเขาก็ฉายแสงอัลตราไวโอเลตที่มีการจัดเรียงรูปแบบลงบนโฟโตพอลิเมอร์ และทำให้เกิดโครงสร้างตาข่ายสามมิติขึ้นมา แล้วทีมวิจัยก็เคลือบโครงสร้างเหล่านี้ด้วยฟิล์มบางของโลหะ ซึ่งในกรณีนี้พวกเขาใช้วัสดุผสมนิกเกิล-ฟอสฟอรัส จากนั้นก็กำจัดโฟโตพอลิเมอร์ออกด้วยสารละลาย ซึ่งจะเหลือเพียงโครงตาข่ายเป็นโพรงของท่อนิกเกิล-ฟอสฟอรัส

วัสดุใหม่นี้ยังบางเบากว่าอากาศยิ่งกว่าแอโรเจล โดยมีความหนาแน่นเพียง 0.9 มิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่ง 99.99% ของปริมาตรคืออากาศ และเบากว่าสไตโรโฟม (styrofoam) 200 เท่า และในการทดสอบยังพบว่าวัสดุนี้มีความยืดหยุ่นสูงมาก โดยหลังจากอัดให้เหลือครึ่งหนึ่งของขนาดเดิมก็ยังเด้งกลับสู่สภาพเดิมได้

“เรากำลังนึกถึงการประยุกต์ใช้เชิงโครงสร้าง อย่างเช่นใช้ผลิตเครื่องบิน และความสามารถในการดูดซับพลังงานของมันยังอาจมีประโยชน์ในการใช้ดูดซับเสียง การสั่นและการสะเทือนได้ เราควบคุมสถาปัตยกรรมได้ในระดับมิลลิเมตร ไมโครเมตรและนาโนเมตร เพื่อออกแบบวัสดุด้วยคุณสมบัติแบบสั่งตัดเพื่อคุณสมบัติจำเพาะได้ตามที่เราต้องการ” สแชดเลอร์กล่าว และบอกด้วยว่ายังใช้วัสดุอื่นมาผลิตในการตอนเคลือบฟิล์มบางได้ เช่น เพชร พอลิเมอร์และเซรามิกส์ เป็นต้น