อนาคตของวัสดุศาสตร์

โลกมีธาตุธรรมชาติ 92 ชนิด นับตั้งแต่ไฮโดรเจนที่เบาที่สุด จนกระทั่งถึงยูเรเนียมที่หนักที่สุด นอกจากนี้ก็มีธาตุสังเคราะห์อีก 26 ชนิด (ธาตุที่นักวิทยาศาสตร์สังเคราะห์ขึ้นมาในห้องปฏิบัติการ) ตั้งแต่เนปจูเนียมจนถึงโอแกนนิสซอน

การจับคู่กันระหว่างอะตอมของธาตุทั้งชนิดเดียวกันและต่างชนิดกันทำให้เกิดโมเลกุล ซึ่งถ้าอะตอมและโมเลกุลอยู่เรียงกันในรูปแบบต่างๆ วัสดุที่ได้ก็จะมีสมบัติต่างๆ กัน ตั้งแต่น้ำตาลที่มีในอาหาร จนกระทั่งถึงทรายในปลือกโลก รวมถึงโมเลกุลอินทรีย์ใน DNA และในเซลล์สมอง

เมื่อธรรมชาติมีวัสดุหลากหลายรูปแบบที่มีสมบัติต่างๆ กัน ดังนั้น การศึกษาธรรมชาติของวัสดุต่างๆ จึงเป็นเรื่องที่น่าสนใจ เพราะวัสดุที่มีคุณภาพจะมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยี รวมถึงอารยธรรมของมนุษย์ ดังในอดีตที่ผ่านมา นักประวัติศาสตร์ได้แบ่งยุคต่างๆ ตามชื่อของวัสดุ เช่น ยุคหิน ยุคทองสัมฤทธิ์ ยุคเหล็ก ยุคอุตสาหกรรม ยุคเล่นแร่แปรธาตุ ยุคซิลิกอน ยุคนาโนเทคโนโลยี ฯลฯ เพราะมนุษย์ได้นำหิน ทองคำ ทองสัมฤทธิ์ เหล็ก ซิลิกอน ฯลฯ มาสร้างอุปกรณ์และเครื่องใช้ต่างๆ ที่มีคุณค่าทางเศรษฐกิจและสร้างอารยธรรม แม้ในบางช่วงเวลามนุษย์จะต้องการความร่ำรวยด้วยการแปลงโลหะที่มีราคาถูกให้เป็นทองคำที่มีราคาแพง แต่ก็ทำไม่ได้ เพราะนักเทคโนโลยีในเวลานั้นไม่มีความรู้เรื่องอะตอม และกลศาสตร์คอวนตัม

ครั้นเมื่อวิทยาศาสตร์ก้าวหน้า นักวัสดุศาสตร์เริ่มรู้ว่าสมบัติต่างๆ ของวัสดุ นอกจากจะขึ้นกับชนิดของอะตอมและโมเลกุลที่มีในวัสดุแล้ว ยังขึ้นกับรูปแบบการจัดเรียงของอะตอมและโมเลกุลเหล่านั้นด้วย

ตามปกตินักวัสดุศาสตร์จะมีความรู้เกี่ยวกับธาตุแต่ละชนิด ค่อนข้างดี และรู้ว่าโลหะบริสุทธิ์จะประกอบด้วยอะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน ที่มีขนาดเท่ากัน ซึ่งเรียงตัวเป็นชั้นๆ อย่างเป็นระเบียบ โดยอาศัยแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมในชั้นเดียวกัน และระหว่างอะตอมต่างชั้นกัน มันจึงคงรูปอยู่ได้

แต่ในกรณีทองคำบริสุทธิ์ แรงกระทำระหว่างอะตอมจะไม่รุนแรง ดังนั้นเวลาทองคำบริสุทธิ์ถูกขูด ขีด หรือข่วน ทองจะเสียรูป ดังนั้นเพื่อให้ทองคำที่จะใช้ทำรูปพรรณสามารถทรงรูป และคงทน ช่างทองจึงต้องเจือด้วยอะตอมของธาตุอื่นที่มีขนาดแตกต่างไปจากอะตอมของทองคำ โดยให้อะตอมของธาตุอื่นกระจัดกระจายอยู่ในเนื้อทองคำ มีผลทำให้ชั้นอะตอมทองคำไถลไปบนชั้นของอะตอมสารเจือได้ยาก ทองคำทั้งก้อนจึงสามารถดำรงรูปอยู่ได้ นั่นคือ ที่มาของทองคำ 90% หรือทองคำ 99.5%

เพราะอุปกรณ์ต่างๆ ที่เราใช้ในชีวิตล้วนมีสมบัติต่างๆ กัน เช่น กาน้ำที่ดีต้องนำความร้อนได้ดี คงทนมีราคาถูกและทำด้วยวัสดุที่หาได้ง่าย เงื่อนไขเหล่านี้เป็นตัวกำหนดให้นักเทคโนโลยีต้องหาวัสดุที่เหมาะสมมาสังเคราะห์ขึ้น โดยอาจใช้ธาตุหลายชนิดมาผสมกันเป็นโลหะผสม (alloy) เช่น ถ้าเติมคาร์บอนในเหล็กธรรมดาจะได้เหล็กกล้าที่แข็งแรงทนทานกว่าเหล็ก เป็นต้น

นี่ก็เป็นหลักการเดียวกับนักแต่งเพลง ซึ่งเวลาจะประพันธ์เพลง คีตกวีจะนำตัวโน้ตมาวางเรียงกันให้นักดนตรีเล่นเป็นเพลงโอเปราหรือซิมโฟนี่ นักวัสดุศาสตร์ก็เช่นกัน เวลาจะออกแบบวัสดุให้มีสมบัติใหม่ๆ แปลกๆ หรืออัศจรรย์ เขาก็อาจจะนำธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป (คือ 3, 4, 5…) มาผสมกัน โดยให้อะตอมเรียงกันในลักษณะต่างๆ เพื่อจะได้วัสดุ ceramic, plastic, superconductor, magnet, insulator ฯลฯ โดยอาจมีสมบัติแม่เหล็ก และพลาสติกในวัสดุเดียวกันเป็นพลาสติกแม่เหล็ก หรือวัสดุที่เป็นฉนวนเวลาไม่มีสนามแม่เหล็กกระทำ แต่จะเป็นตัวนำไฟฟ้าเวลามีสนามแม่เหล็กกระทำ เป็นต้น

โลกวัสดุในอนาคตจึงอาจมีวัสดุที่มีสมบัติแปลกๆ (strange metal) ที่เราไม่เคยฝันว่าจะเกิดขึ้นได้อีกมากมาย ซึ่งจะนำเราไปสู่ยุควัสดุควอนตัม ควอนตัมคอมพิวเตอร์ และควอนตัมอินเทอร์เน็ท รวมถึงควอนตัมเทคโนโลยีด้วย

ที่ห้องปฏิบัติการ Ames Laboratory ในรัฐ Iowa ประเทศสหรัฐอเมริกา นักวัสดุศาสตร์ที่นั่นกำลังสังเคราะห์โลหะผสมที่ประกอบด้วยธาตุตั้งแต่ 3, 4, 5, 6… ชนิด โดยมีน้ำหนักในอัตราส่วนที่เท่ากัน และต่างกัน เป็นวัสดุใหม่ๆ ที่มีสมบัติเด่นๆ เช่น เบา แข็งแรง ทนทาน ยืดหยุ่นดี ไม่เป็นสนิม ทนความร้อนได้ดี ทนความหนาวได้เยี่ยม ทำไฟฟ้าได้อย่างสุดยอด หรือเป็นฉนวนความร้อนมีราคาถูกและไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมเวลาอุปกรณ์นั้นถูกเลิกใช้

ซึ่งวัสดุประหลาดที่กำลังจะถูกสร้างขึ้นนี้ ปัจจุบันยังไม่มีวางขายในตลาด และในอนาคตมันอาจจะได้มาโดยการเลือกธาตุ 3 ชนิดจาก 26 ชนิด มารวมกันในอัตราส่วนน้ำหนักที่เท่ากัน หรือต่างๆ กัน รวมทั้งหมดเป็น 26x25x24 = 15,600 ชนิด หรือถ้าเลือก 4 ธาตุจาก 26 ธาตุ ก็จะได้โลหะผสม 26x25x24x23 = 358,800 ชนิด

ดังนั้นเราจึงเห็นได้ว่าโอกาสที่จะได้โลหะผสมที่มีสมบัติที่แตกต่างกัน อาจจะมีมากถึงอนันต์ชนิดได้ นี่คือความเป็นไปได้ทางทฤษฎี แต่การจะได้วัสดุดีและสมบูรณ์แค่ไหน เป็นเรื่องของเทคนิคการทดลอง ซึ่งต้องใช้เวลานานและความอดทนสูงในการตรวจวัดสมบัติต่างๆ ที่โลหะผสมเหล่านั้นมี

ในปี 2009 Yong Zhang นักวัสดุศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัย University of Science and Technology ที่ Beijing ประเทศจีน ได้ประสบความสำเร็จในการสร้างโลหะผสมซึ่งประกอบด้วย cobalt, เหล็ก, chromium, ทองแดง, นิกเกิล และ aluminium รวมธาตุ 6 ชนิดซึ่งแข็งแรงกว่าอลูมิเนียมบริสุทธิ์ 14 เท่า และสามารถตีแผ่ให้เป็นแผ่นบางได้ดีกว่าถึง 3 เท่า

อีก 2 ปีต่อมา Jien – Wei Yeh แห่ง National Tsing Hua University ที่เมือง Hsinchu ประเทศไต้หวัน ได้ประดิษฐ์วัสดุใหม่ที่ประกอบด้วย cobalt, chromium, เหล็ก, นิกเกิล, อลูมิเนียม และ titanium รวมธาตุ 6 ชนิดที่ไม่สึกกร่อนดีกว่าเหล็กกล้า 2 เท่า

ด้าน Easo George แห่ง Kuhr University Bochum ในประเทศเยอรมนี ได้นำโลหะผสมระหว่าง cobalt, chromium, เหล็ก, manganese กับ nickel มาทำให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า 90 องศาสัมบูรณ์ (-183 องศาเซลเซียส) และพบว่าโลหะผสมดังกล่าวมีสมบัติไม่เปราะหรือแตกง่าย ทั้งๆ ที่มีอุณหภูมิต่ำมาก จึงมีประโยชน์ในการทำเป็นอุปกรณ์ที่ต้องอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิเย็นจัด เช่น ในห้องปฏิบัติการตัวนำยวดยิ่ง หรือในยานอวกาศที่จะถูกส่งไปสำรวจเอกภพ

เพราะธาตุในตารางธาตุ (periodic table) ที่เป็นโลหะมีจำนวนมากกว่า 80 ชนิด โลหะผสมที่เป็นไปได้จากการเลือกธาตุมารวมกันจึงมีมาก จนไม่มีห้องปฏิบัติการใดในโลกจะทดสอบคุณสมบัติต่างๆ ได้หมด ดังนั้นประสบการณ์ของนักวัสดุศาสตร์ในการใช้ธาตุต่างๆ จึงมีความสำคัญในการเลือก เช่น ถ้าต้องการสร้างโลหะผสมที่มีจุดหลอมเหลวสูง และไม่หลอมละลายง่าย ตัวเลือกก็น่าจะได้แก่ niobium, tantalum และ chromium

หรือในกรณีที่ต้องการเหล็กกล้าที่มีความแข็งมาก และสามารถตีแผ่เป็นแผ่นได้ดี ตัวเลือกคือ เหล็ก, manganese, cobalt และ chromium

ด้านนักวัสดุศาสตร์ภาคทฤษฎีก็มีบทบาทไม่น้อย ในการเสนอเกณฑ์ในการเลือกธาตุต่างๆ โดยใช้ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมของโลหะเพื่อพยากรณ์สมบัติของโลหะผสมที่จะเกิดขึ้น แผนแสดงขั้นตอนคำนวณ (algorithm) จะสามารถประมาณการได้ว่า อะตอมของธาตุแต่ละชนิดจะดึงดูดหรือจะผลักกันเพียงใด และของผสมที่ได้จะเป็นของเหลวหรือของแข็ง และมีสมบัติอะไรบ้างที่น่าสนใจ จากนั้นนักเคมีหรือนักวัสดุศาสตร์ภาคการทดลองก็จะพยายามสังเคราะห์สารที่โปรแกรมได้คำนวณไว้ และถ้าข้อมูลที่ได้จากการวัดแตกต่างไปจากข้อมูลที่ทฤษฎีทำนาย ก็จะมีการปรับค่า parameter ต่างๆ ใหม่ในขั้นตอนการคำนวณ เพื่อทฤษฎีและการทดลองจะให้ผลสอดคล้องกัน

นอกจากจะเน้นสมบัติด้านความแข็งแรงของวัสดุแล้ว การวิจัยในอนาคตจะเน้นเรื่องความสามารถของวัสดุในการทำงานอื่นๆ ด้วย เช่นว่า ต้องการวัสดุที่มีสัมประสิทธิการนำความร้อนดีเวลาอยู่ในสนามแม่เหล็ก เพื่อนำมาใช้ทำตู้เย็น หรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ หรือเวลาจะมีการสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ นักวัสดุศาสตร์ได้พบว่า การนำโลหะ (metal) กับ ceramic มาประกบกันเป็นวัสดุ composite ทำให้ได้ระบบที่ทนทานความร้อนได้ดี และแลกเปลี่ยนความร้อนได้รวดเร็ว วัสดุดังกล่าวจึงมีชื่อเรียก cermet (ซึ่งได้จากการสนธิคำ ceramic กับ metal) โดย M. Caccia แห่งมหาวิทยาลัย Purdue ที่ West Lafayette รัฐ Indiana ในสหรัฐอเมริกา กับคณะได้พบว่า วัสดุ cermet ที่ประกอบด้วย ZrC/tungsten (zirconium carbide กับ tungsten) ที่อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียสนำความร้อนได้ดีกว่าโลหะผสมที่ประกอบด้วยเหล็กหรือนิกเกิล 2.5-3 เท่า และได้รายงานเรื่องนี้ในวารสาร Nature ฉบับที่ 562 หน้า 406-409 ปี 2018

โลกอนาคตจะมีวัสดุประหลาดที่มีสมบัติชนิดที่ใครๆ ก็คาดไม่ถึงให้นักวัสดุศาสตร์ที่มีจินตนาการลึกล้ำ สามารถปฏิรูปเทคโนโลยีและสร้างนวัตกรรมที่มีมูลค่าทางวิทยาศาสตร์ สุขภาพ และเศรษฐกิจได้ และถ้านักวิทยาศาสตร์คิดไม่ได้ ต่อไปก็จะมีการใช้ AI และ Machine Learning ช่วย

ด้าน Gilbert Lonzarich แห่งมหาวิทยาลัย Cambridge ในอังกฤษก็ได้พยายามศึกษาธรรมชาติของสสารที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ และอยู่ภายใต้ความดันที่สูงมหาศาล โดยหวังว่าสสารดังกล่าวจะแสดงสมบัติตัวนำยวดยิ่งที่มีประโยชน์มากในการสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงเพื่อใช้ในการถ่ายภาพเนื้อเยื่อในร่างกาย (MRI) และเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง

นั่นคือ เทคโนโลยีความดันสูงมาก และอุณหภูมิต่ำมาก หรือสนามแม่เหล็กความเข้มสูงมากเป็นเทคนิคที่ Lonzarich กำลังใช้ค้นหาสสารต่างๆ ที่จะแสดงสมบัติควอนตัมรูปแบบใหม่ๆ เพื่อพบปรากฏารณ์ใหม่ หรือพบทฤษฎีใหม่ ดังเช่น สาร strontium ruthenate oxide ซึ่งเมื่ออุณหภูมิต่ำมากและตกอยู่ภายใต้ความดันสูง อิเล็กตรอนในสารจะเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบ โดยมีระยะห่างกันคงตัว หรือสาร samarium hexaboride ซึ่งเป็นฉนวน แต่เวลาอยู่ในสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูง จะเป็นตัวนำไฟฟ้า ปัจจุบัน Lonzarich กำลังสนใจสาร ferroelectric ซึ่งเป็นวัสดุ ionic ที่สร้างสนามไฟฟ้าได้ในตัวเอง เพราะคิดว่าที่อุณหภูมิต่ำมากๆ สาร ferroelectric จะสามารถเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิห้องได้ (คือที่ 300 เคลวิน)

โลกวัสดุศาสตร์มีอะไรต่างๆ อีกมากมายที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่พบ และยังคิดไม่ถึงว่าจะมี จนกว่าจะพบสภาพแวดล้อมเหมาะสม และธาตุต่างๆ ที่นำมาผสมกันนั้น อยู่กันในลักษณะที่พอเหมาะพอดีให้ปรากฏการณ์ควอนตัมสามารถแสดงออกได้ และนั่นจะเป็นการปฏิรูปครั้งยิ่งใหญ่ในประวัติวัสดุศาสตร์

อ่านเพิ่มเติมจาก “A composite that takes the heat” โดย Craig Turchi ในวารสาร Nature ฉบับที่ 562 ประจำวันที่ 18 ตุลาคม ค.ศ.2018


สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์