เมื่อวันที่ 8 เมษายน ค.ศ.1982 Dan Shechtman แห่ง Technion (หรือ Israel Institute of Technology) ที่เมือง Haifa ใน Israel ซึ่งอยู่ระหว่างการลาไปเพิ่มพูนประสบการณ์วิจัยที่ National Institute of Science and Technology (NIST) ที่เมือง Gaithersburg ใน Maryland สหรัฐอเมริกา ได้ทำการทดลองโดยบังคับให้โลหะผสมระหว่างอลูมิเนียมกับแมงกานีสเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว จนทำให้โลหะผสมที่ได้ไม่ทันตกผลึก เพื่อศึกษาดูว่าของแข็งที่สังเคราะห์ได้มีโครงสร้างเช่นไร โดยใช้เทคนิคการเลี้ยวเบน (diffraction) ด้วยอิเล็กตรอน
เขาจึงทดลองยิงโลหะผสมนั้นด้วยลำอิเล็กตรอน เพราะถ้าของแข็งที่ได้เป็นผลึก ซึ่งมีอะตอมเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ ผลที่ตามมาคือ ระนาบของอะตอมในของแข็งจะทำหน้าที่เสมือนเป็นเกรตติง (grating) ซึ่งจะเลี้ยวเบนลำอิเล็กตรอนออกไป ในทิศต่างๆ อย่างเป็นระเบียบ
แต่ Shechtman กลับเห็นรูปแบบการเลี้ยวเบนที่ไม่เหมือนอะไรที่เคยเห็นมาก่อนเลยในชีวิตนั้นคือ เขาเห็นวงกลมซ้อนกันหลายวง และที่เส้นรอบวงเหล่านั้นมีจุดสว่าง 10 จุด ซึ่งแสดงว่า โครงสร้างของสิ่งที่ Shechtman สังเคราะห์ได้มีสมมาตรทบ 10 (tenfold symmetry) เพราะถ้าเขาหมุนภาพแสดงรูปแบบการเลี้ยวเบนไป 360/10 = 36 องศา รูปแบบที่ได้ก็จะเหมือนเดิมคือไม่เปลี่ยนแปลงเลย เขาได้จดบันทึกในสมุดทดลองเพียง 2 คำว่า “10 fold ???” และพบว่านี่เป็นสิ่งที่ขัดแย้งกับความรู้ที่นักวิทยาศาสตร์ทั้งโลกมีในขณะนั้น Shechtman กับคณะจึงทดลองเรื่องนี้ซ้ำอีกเป็นเวลานาน 1 สัปดาห์ และทุกครั้งก็ได้ผลเหมือนเดิม
เขาจึงตัดสินใจบอกเพื่อนๆ แต่ทุกคนก็แนะนำไม่ให้ Shechtman เสนอผลงานลงพิมพ์เพราะนั่นจะทำให้นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ลงความเห็นว่าเขาเสียสติ นับเป็นการฆ่าตัวตายทางวิชาการ เพราะ Shechtman ปักใจเชื่อในสิ่งที่ตำราระบุว่าเป็นไปไม่ได้ โดยจะมีคนหลายคนที่เย้ยหยันสิ่งที่เขา “พบ” และหลายคนคิดว่าผล “เพี้ยน” นี้เกิดจากความสะเพร่าของ Shechtman เอง ฯลฯ แม้แต่หัวหน้าห้องปฏิบัติการที่ NIST ก็ยังขอให้เขาย้ายที่ทำงานไปวิจัยที่สถาบันอื่น เพราะเขากำลังนำชื่อเสียมาสู่องค์การ
Shechtman ไม่เชื่อในคำแนะนำของเพื่อน เขาส่งผลงานนี้ไปลงพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters (PRL) ซึ่งเป็นวารสารฟิสิกส์ชั้นนำของโลก โดยได้ลงชื่อของศิษย์ และเพื่อนร่วมงานชื่อ Ilan Blech แห่ง Technion, John Cahn แห่ง NIST และ Denis Gratias แห่ง Centre for Metallurgic Chemistry ที่ Vitry ในฝรั่งเศส ในฐานะผู้ร่วมงานด้วยเมื่อผลงานได้รับการเผยแพร่ในวารสาร PRL ฉบับที่ 53 ประจำเดือนธันวาคม 1984 หน้า 1951-1953 วงการวัสดุศาสตร์ของโลกซึ่งมีทั้งนักเคมีและนักฟิสิกส์ก็ระเบิด เพราะทุกคนตื่นเต้นเสมือนกับการมีคนพบสัญญาณที่เร็วกว่าแสง และอุณหภูมิที่ต่ำกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์
เพราะก่อนที่ Shechtman จะพบของแข็งที่มีสมมาตร “ประหลาด” นี้ ตำราฟิสิกส์ และตำราเคมีทุกเล่มในโลกต่างก็ระบุชัดว่า ของแข็งในธรรมชาติมีโครงสร้าง 2 รูปแบบ คือ แบบอสัณฐาน และแบบผลึก ในกรณีอสัณฐานนั้น อะตอมหรือกลุ่มอะตอมต่างๆ จะอยู่กันอย่างไม่เป็นระเบียบ แต่ในผลึก อะตอมหรือกลุ่มอะตอมจะอยู่อย่างเป็นระเบียบ คือ มีสมมาตร (symmetry) เช่น ถ้านำแผ่นกระเบื้องที่เป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่า (มุมภายในเท่ากับ 60 องศา) มาวางเรียง เราก็จะพบว่า กระเบื้องจะปกคลุมพื้นหรือผนังได้มิดพอดีคือ ไม่มีที่ว่างเลย เราเรียกว่า แผ่นกระเบื้องมีสมมาตรทบ 3 (threefold symmetry) ไม่เพียงแต่กระเบื้องรูปสามเหลี่ยมด้านเท่าที่ปูพื้นได้มิดสนิท กระเบื้องสี่เหลี่ยมด้านเท่า และหกเหลี่ยมด้านเท่าก็สามารถปูพื้นได้มิดสนิทเช่นกัน กระเบื้องจึงมีสมมาตรทบ 4 และสมมาตรทบ 6 แต่เราจะพบว่า กระเบื้อง 5 เหลี่ยมด้านเท่าไม่สามารถปูพื้นให้มิดสนิทได้ ดังนั้นตำราวิชาการก่อนปี 1984 จึงระบุว่าสมมาตรทบ 5 ไม่มีในธรรมชาติ
เมื่อสิ่งที่ Shechtman พบมีสมมาตรทบ 10 (คือ สมมาตรทบ 5 สองเท่า) ดังนั้น ปัญหาที่ต้องคิดต่อไป คือ ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้อย่างไร และอะตอมต่างๆ ในของแข็งที่ Shechtman สังเคราะห์มาได้มีการจัดเรียงตัวอย่างไร
ในการตอบคำถามนี้ นักคณิตศาสตร์ชื่อ Roger Penrose แห่งมหาวิทยาลัย Oxford ในอังกฤษซึ่งสนใจวิธีการปูพื้นด้วยกระเบื้องรูปห้าเหลี่ยมด้านเท่าปะปนกับรูปสิบเหลี่ยมด้านเท่า (Penrose ไม่ได้สนใจเรื่องผลึก) โดย Penrose ได้ความคิดนี้จากการศึกษาศิลปะของชาวอาหรับที่นิยมตกแต่งผนังของมหาวิหาร Alhambra ที่เมือง Granada ในสเปน ซึ่งในเวลาต่อมานักคณิตศาสตร์เรียกการจัดกระเบื้องในลักษณะนี้ว่า การปูผนังแบบเพนโรส (Penrose tiling)
ด้านนักผลิกวิทยาชื่อ Alan Mackey ก็มีจินตนาการว่า ถ้าที่มุมทุกมุมของกระเบื้อง Penrose มีอะตอมอยู่ ภาพการเลี้ยวเบนที่เกิดจากการจัดเรียงอะตอมในลักษณะนี้จะแสดงวงกลมที่มีสมมาตรทบ 10 ส่วน Paul Steinhardt แห่งมหาวิทยาลัย Pennsylvania กับศิษย์ชื่อ Dev Levine ก็ได้ใช้การจัดเรียงอะตอมบนกระเบื้อง Penrose คำนวณพบว่า รูปแบบของการเลี้ยวเบนที่เกิดขึ้นจะสอดคล้องกับผลการทดลองของ Shechtman ที่มีสมมาตรทบ 5 และสมมาตรทบ 10 ทุกประการ Steinhardt จึงเรียกสิ่งที่ Shechtman สังเคราะห์ได้ว่า ผลึกควอไซ (quasicrytal) เพราะเป็นวัสดุที่มีสมบัติความเป็นระเบียบอยู่กลางๆ ระหว่างผลึกกับอสัณฐาน
กระนั้นการยอมรับเรื่อง quasicrystal ก็ยังไม่สมบูรณ์ แม้แต่ Linus Pauling ซึ่งเป็นนักเคมีระดับรางวัลโนเบลเองก็ยังปฏิเสธว่า ธรรมชาติมีผลึกควอไซ และได้กล่าวทำนองเสียดสีว่า นักวิทยาศาสตร์ควอไซ (quasi-scientist) มีแน่ในโลก ความเห็นคัดค้านจาก Pauling ผู้ได้รับรางวัลโนเบลถึง 2 ครั้ง ทำให้ Shechtman รู้สึกท้อแท้มาก แต่เขาก็รู้ว่าสิ่งที่เขาพบนั้นมีจริง ดังนั้นเขาจึงเดินทางไปอธิบายให้ Pauling ฟังนานเป็นชั่วโมงที่บ้านพักของ Pauling ในเมือง Palo Alto แต่เขาก็ไม่สามารถเปลี่ยนใจ Pauling ได้ จนกระทั่ง Pauling เสียชีวิตในปี 1994 Pauling ก็ยังปักใจเชื่อว่า quasicrystal ไม่มีในธรรมชาติ
ในปี ค.ศ.1992 ซึ่งมีการประชุมของ International Union of Crystallography ที่ประชุมได้ตกลงให้คำจำกัดความของผลึกใหม่ จากคำจำกัดความเดิมที่ว่า รูปแบบการจัดเรียงอะตอมของผลึกต้องเป็นคาบ (period) สม่ำเสมอ เป็นว่า ผลึกคือของแข็งที่ตำแหน่งของอะตอมในของแข็งแสดงรูปแบบการเลี้ยวเบนที่แยกชัด (discrete)
ยี่สิบเก้าปีหลังจากที่ Shechtman พบ quasicrystal เมื่อถึงเดือนตุลาคม ค.ศ.2011 เขาก็ได้รับข่าวดีว่าเขาคือ ผู้พิชิตรางวัลโนเบลสาขาเคมีแต่เพียงผู้เดียวประจำปีนั้น (เป็นที่น่าสังเกตว่า จากประวัติศาสตร์ของรางวัลโนเบลสาขาวิทยาศาสตร์ตั้งแต่ปี 1900 ถึงปี 2011 คนที่ได้รับรางวัลสาขาเคมีคนเดียวมี 61% คนที่ได้รับรางวัลสาขาฟิสิกส์คนเดียวมี 43% และคนที่ได้รางวัลสาขาแพทย์คนเดียวมี 37% ตัวเลขนี้แสดงว่าสำหรับนักชีววิทยาและแพทย์ การพบองค์ความรู้ที่สำคัญมากโดยคนเพียงคนเดียวเป็นเรื่องยาก แต่สำหรับนักเคมีการค้นพบอะไรๆ ที่สำคัญคนเดียวนั้นง่ายกว่า)
ปัจจุบันทฤษฎีของ quasicrystal กำลังก้าวหน้าไปตลอดเวลา ด้านนักวัสดุศาสตร์ก็ได้พบว่า เทคนิคคำนวณที่เคยใช้ได้ผลในกรณีผลึกและกรณีอสัณฐานไม่สามารถนำมาใช้กับกรณีผลึกควอไซได้อีกต่อไป ด้านนักทดลองก็ได้พบว่าผลึกควอไซที่พบในธรรมชาติก็มีเป็นโลหะผสมระหว่างอะลูมิเนียม-ทองแดง-เหล็ก ซึ่งเป็นแร่อายุ 200 ล้านปีที่บริเวณภูเขา Koryak ในรัสเซียตะวันออก
คุณประโยชน์ของผลึกควอไซ คือ มีความแข็งมาก แต่นำความร้อน และไฟฟ้าได้ไม่ดี (เพราะอะตอมเรียงรายกันอย่างไม่เป็นระเบียบ) จึงสามารถนำมาใช้ทำฉนวนความร้อนในเครื่องยนตร์ เป็นสารเคลือบกระทะไม่ให้เศษอาหารติด โรงงานเหล็กในสวีเดนได้ทดลองนำผลึกควอไซมาทำใบมีดโกน และทำเกราะกันกระสุน เป็นต้น
ย้อนอดีตไปถึงสมัยก่อนการค้นพบของ Shechtman ในปี 1979 Marc van Sande ซึ่งเป็นนักวิจัยแห่ง Electron Microscopy for Materials Science (EMAT) ที่เมือง Antwerb ในเบลเยี่ยม ได้เคยเห็นภาพการเลี้ยวเบนที่แสดงสมมาตรทบ 10 เช่นกันในโลหะผสมที่ประกอบด้วยอะลูมิเนียม-แมงกานีส และแพลเลเดี่ยม แต่เขาไม่ได้ดำเนินการใดๆ ต่อ เพราะคิดว่าสิ่งที่เขาเห็น ขัดแย้งกับความรู้ในตำรา เขาจึงทิ้งงานนั้นไป และทิ้งรางวัลโนเบลไปด้วย
เหตุการณ์นี้ก็ตรงกับคำสอนที่ Louis Pasteur ได้เคยกล่าวว่า “ในวิทยาศาสตร์นั้น คนที่จะพบองค์ความรู้ใหม่ได้ จิตใจเขาต้องพร้อมที่จะรับ”
การค้นพบ quasicrystal ทำให้นักวิทยาศาสตร์ทุกคนตระหนักได้ว่า คนเรายิ่งรู้ ก็จะอดคิดไม่ได้ว่ายังมีองค์ความรู้อีกมากมายที่มนุษย์ยังไม่รู้
Dan Shechtman เกิดเมื่อวันที่ 24 มกราคม ค.ศ.1941 ที่เมือง Tel Aviv ในอิสราเอล เข้าศึกษาวิชาวิศวกรรมเครื่องกลที่ Technion และสำเร็จการศึกษาปริญญาเอกด้านวิศวกรรมวัสดุจาก Technion ในปี ค.ศ.1972 อีก 3 ปี ต่อมาก็ได้เป็นอาจารย์ประจำที่ Technion และได้ลาไปเพิ่มประสบการณ์วิจัยที่มหาวิทยาลัย John Hopkins ในสหรัฐอเมริกา กับที่ NIST ซึ่งทำให้เขาได้พบ quasicrystal ณ วันนี้ เขากำลังสนใจวิจัยเรื่องโครงสร้างของวัสดุผสม
นอกจากรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2011 แล้ว Shechtman ยังได้รับรางวัล Wolf Prize in Physics ประจำปี 1999 ด้วย
ครอบครัว Shechtman มีภรรยา และลูก 3 คน
อ่านเพิ่มเติมจาก “The Physics of Quasicrystals” โดย S. Ostlund และ P.J. Steinhardt จัดพิมพ์โดย World Scientific Singapore ปี 1987
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
