ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในโลกวัสดุศาสตร์ได้เกิดขึ้นอีกครั้งหนึ่งในปี 1982 เมื่อ John Croat (โคร-อัท) แห่งบริษัท General Motors ในสหรัฐอเมริกา และ Masato Sagawa แห่งบริษัท Sumitomo ในญี่ปุ่น ได้พบเทคนิคการประดิษฐ์แม่เหล็กถาวรที่ทรงพลังดึงดูดดียิ่งกว่าแม่เหล็กถาวรธรรมดาถึง 15 เท่า อีกทั้งยังมีราคาถูกด้วย
ประเด็นที่น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการค้นพบนี้ คือ นักวิจัยทั้งสองได้ทำงานอย่างเป็นอิสระจากกัน คือ ต่างก็ไม่รู้เลยว่าคู่แข่งอีกฝ่ายใช้ธาตุอะไรบ้างในการทำแม่เหล็ก จนกระทั่งคนทั้งสองได้มาเสนอผลงานในที่ประชุมเดียวกัน คือ ที่เมือง Pittsburgh ประเทศสหรัฐอเมริกา เมื่อปี 1983
ก่อนการค้นพบของ Croat กับ Sagawa นั้น แม่เหล็กถาวรคุณภาพสูงที่โลกรู้จักดี คือ SmCo5 ซึ่งประกอบด้วย samarium กับ cobalt แต่แม่เหล็กดังกล่าวนี้มีราคาแพงมาก เพราะ samarium เป็นธาตุหายาก (rare-earth element, REE) ส่วน cobalt แม้จะหาได้ไม่ยาก แต่ก็เป็นธาตุกัมมันตรังสี การค้นหาเทคนิคที่จะสร้างแม่เหล็กถาวรคุณภาพดีที่มีราคาถูก และสร้างได้ไม่ยาก จึงเป็นความต้องการเร่งด่วน เพราะใครก็ตามที่พบเทคนิคนี้เป็นคนแรก ก็มีสิทธิ์กอบโกยเงินให้บริษัทผู้สร้างแม่เหล็กได้หลายแสนล้านบาท/ปี เพราะโลกเทคโนโลยีปัจจุบันจำเป็นต้องใช้แม่เหล็กถาวรในอุปกรณ์ไฟฟ้าแทบทุกชนิด เช่น ในมอเตอร์ไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ลำโพง hard-disk drive และ smartphone ฯลฯ และการค้นพบนี้ ได้มีผลทำให้ 95% ของตลาดแม่เหล็กถาวร ได้หันมาใช้แม่เหล็กถาวรที่ Croat และ Sagawa ประดิษฐ์ ซึ่งทำด้วยธาตุ neodymium – iron – boron และในอนาคตอันใกล้นี้ เมื่อวงการยานยนต์ผลิตรถไฟฟ้าเติบโตมากขึ้น ความต้องการแม่เหล็กถาวรก็จะเพิ่มมากขึ้นตามไปด้วย
เมื่อผลงานเป็นที่ประจักษ์ทั่วโลกเช่นนี้ สมาคมวิชาชีพ IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) จึงได้มอบเหรียญรางวัล Medal for Environmental and Safety Technology ประจำปี 2022 ให้แก่คนทั้งสอง เมื่อวันที่ 9 พฤษภาคมที่ผ่านมานี้
คำถามที่คนหลายคนสนใจและใคร่จะรู้คำตอบจากคนทั้งสองนั้นมีมากมาย เช่น จากบรรดาธาตุที่มีในโลก 118 ธาตุนั้น เหตุใดจึงได้ตัดสินใจเลือก neodymium, iron และ boron อะไรคืออุปสรรคสำคัญที่คนทั้งสองจะต้องก้าวข้ามในการผลิตแม่เหล็กในฝัน นอกจากนี้หลายคนก็ต้องการจะรู้ว่า ทางบริษัท GM ในสังกัดของ Croat และบริษัท Sumitomo ของ Sagawa นั้น ได้ตั้งเงื่อนไขประการใดบ้าง เพื่อจะได้ผลประโยชน์ทางธุรกิจแม่เหล็กประดิษฐ์ รวมถึงคำถามที่ว่าโลกจะมีแม่เหล็กถาวรที่ไม่มีธาตุหายาก (REE) เป็นองค์ประกอบได้หรือไม่
ในการให้สัมภาษณ์ Croat ได้กล่าวถึงความเป็นมาของแรงดลใจที่ชักนำให้เขาได้พบว่า NdFeB เป็นแม่เหล็กถาวรที่ดี ว่าเกิดจากความต้องการจะประดิษฐ์แม่เหล็กถาวรที่มีราคาถูกเป็นหลัก มิได้เกิดจากความต้องการจะสร้างแม่เหล็กที่มีแรงดึงดูดมากแต่อย่างใด เพราะในเวลานั้นเขารู้ว่า โลกมีธาตุหายาก 17 ชนิด และจากธาตุหายากทั้งหมดที่โลกมี ก็ปรากฏว่ามี samarium เพียง 0.8% เท่านั้นเอง ดังนั้น samarium จึงมีราคาแพงมาก ด้าน cobalt ก็มีราคาแพงเช่นกัน ด้วยเหตุนี้ แม่เหล็กถาวรที่ทำจาก samarium-cobalt จึงมีราคาโคตรแพง
ในปี 1970 ที่ Croat เริ่มทำงานที่บริษัท GM นั้น ประเทศ Democratic Republic of Congo ซึ่งเป็นแหล่งผลิต cobalt ที่สำคัญให้แก่โลก ได้เกิดสงครามกลางเมือง ความวุ่นวายและการจลาจลภายในประเทศที่เกิดขึ้นได้ทำให้การผลิต cobalt ต้องหยุดชะงักลง จึงมีผลทำให้ราคา cobalt พุ่งสูงมากถึงกรัมละ 1,300 บาท (ราคาในเวลานั้น) ความก้าวหน้าในการทำวิจัยของ Croat จึงต้องชะงักไปด้วยโดยปริยาย
ในเวลาเดียวกัน Sagawa ซึ่งอยู่ที่ประเทศญี่ปุ่นก็ได้เริ่มทำงานที่บริษัท Fujitsu เมื่อปี 1972 และทางบริษัทได้มอบงานให้ Sagawa ทำ คือ ค้นหาวิธีปรับปรุงคุณภาพของแม่เหล็ก samarium-cobalt ให้มีความแข็งแกร่งขึ้น และดึงดูดสารแม่เหล็กได้ดีขึ้น ขณะทำงานที่นั่น Sagawa ได้เคยสงสัยว่า เหตุใดแม่เหล็ก SmCo5 จึงไม่มีเหล็ก (Fe) เป็นองค์ประกอบ ทั้งๆ ที่โลกมีเหล็กในปริมาณมากกว่า cobalt มาก และอะตอมเหล็กก็มีโมเมนต์แม่เหล็กที่มีค่าสูงกว่าของ cobalt ด้วย Sagawa จึงคิดจะนำเหล็ก (Fe) มารวมกับธาตุหายาก (REE) เพื่อทำแม่เหล็กถาวรที่มีราคาถูก และสามารถดึงดูดสารแม่เหล็กอื่นๆ ได้ดีด้วย
ดังนั้น Sagawa จึงเริ่มศึกษาธรรมชาติของแม่เหล็ก samarium-cobalt เพราะนั่นคืองานที่เขาได้รับมอบหมาย และได้ขออนุญาตผู้จัดการบริษัทให้เขาทดลองสร้างแม่เหล็กถาวรที่ประกอบด้วยธาตุหายากกับเหล็ก แต่บริษัทไม่อนุญาต ทั้ง ๆ ที่ในเวลานั้น Sagawa ได้มีไอเดียแล้วว่าจะเติมสารเจือที่เป็นธาตุอื่น เช่น carbon หรือ boron ลงไปเล็กน้อย ก็น่าจะได้แม่เหล็กถาวรที่ต้องการ เพราะอะตอมของ carbon และ boron มีขนาดเล็ก ดังนั้นจึงน่าจะลงไปแทรกอยู่ในโครงสร้างของผลึกสารแม่เหล็กได้ง่าย Sagawa จึงแอบศึกษาสมบัติของธาตุ rare-earth ต่าง ๆ รวมถึงธาตุ iron, boron และ carbon เป็นเวลาหลายปี จนในที่สุดเขาก็บรรลุจุดประสงค์ เมื่อได้พบว่า neodymium-boron-iron เป็นแม่เหล็กถาวรที่เขาต้องการ เมื่อปี 1982
สำหรับเหตุผลที่ทำให้ Croat ตัดสินใจเลือก Nd-Fe-B นั้น Croat ได้ชี้แจงให้เห็นว่า เขาต้องการจะใช้เหล็ก เพราะเหล็กมีราคาถูกมาก เมื่อเปรียบเทียบกับ cobalt และในประเด็นที่ต้องใช้ rare-earth นั้น เขาก็ต้องเลือกธาตุหายากชนิดที่มีพบมากในโลก ซึ่งก็ได้แก่ lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr) และ neodymium (Nd) ที่มีประมาณ 90% ของธาตุ rare-earth ทั้งหมด
ประสบการณ์ที่ได้จากการศึกษา samarium ซึ่งมีสัญลักษณ์ Sm และเป็นธาตุที่พบโดย Lecoq de Boisbaudran ชาวฝรั่งเศส ในปี 1879 และปัจจุบันนิยมนำมาใช้ทำ laser, maser และแม่เหล็ก แสดงให้รู้ว่าอะตอมของธาตุต่าง ๆ จะแสดงสมบัติแม่เหล็กได้ ถ้าอะตอมนั้นมีอิเล็กตรอนเดี่ยวอยู่ในวงโคจรนอกสุด สมบัติด้าน spin และโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอนใน orbital 4f เป็นเงื่อนไขที่จำเป็นในการใช้อะตอมนั้นสร้างแม่เหล็ก เพราะเวลามีสนามแม่เหล็กจากภายนอกมากระทำ โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมจะชี้ทิศเดียวกับสนาม และเวลาไม่มีสนามแม่เหล็กมากระทำ โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมก็จะไม่กลับทิศ (คือ ชี้ทิศเดิม) แต่สาร iron-cobalt ไม่มีแสดงสมบัติเช่นนี้ เพราะโครงสร้างผลึกที่ไม่สมมาตรของมัน ทำให้โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมชี้ทิศสะเปะสะปะ และ Croat ก็ได้พบว่าสารเจือ Alnico ซึ่งประกอบด้วย Fe, Ni, Co และ Al มีสมบัติที่เขาต้องการ
จนอีก 10 ปีต่อมา เมื่อมีคนพบว่า SmCo5 เป็นแม่เหล็กถาวรที่ดี โลกก็ได้หันมาสนใจ SmCo5 และได้เปลี่ยนไปสนใจ NdFeB (NIB) ของ Croat กับ Sagawa เพราะพบว่าดีกว่า และสามารถใช้ได้ดีในเครื่องยนต์ที่มีอุณหภูมิสูง เช่น ในเครื่องยนต์ของรถยนต์
และเมื่อ lanthanum กับ cerium ไม่มีอิเล็กตรอนแบบ 4f ดังนั้น แม้โลกจะมีธาตุทั้งสองนี้มาก แต่ก็ไม่มีใครต้องการ ในที่สุด Croat ก็เหลือแต่ธาตุ praseodymium (Pr) กับ neodymium (Nd) ให้เลือก
neodymium ซึ่งเป็นธาตุที่มีสัญลักษณ์ Nd และมี Karl Auer Welsbach ชาวออสเตรเลีย เป็นผู้พบในปี 1885 คำว่า meos เป็นคำในภาษากรีก ที่แปลว่า ใหม่ ส่วน didymos ก็เป็นคำภาษากรีกเช่นกันที่แปลว่า คู่แฝด เพราะธาตุนี้มักพบอยู่รวมกับ lanthanum และนักศิลปินนิยมใช้ธาตุนี้ในการทำให้แก้วมีสีม่วง และนักวิทยาศาสตร์ใช้ธาตุนี้ในการทำตัวจุ (capacitor), laser แต่เมื่อถึงวันนี้ neodymium (Nd) ใช้ทำแม่เหล็กถาวร
นอกจากเงื่อนไขเหล่านี้แล้ว โครงสร้างของแม่เหล็กในฝันจะต้องเป็นแบบ intermetallic ดังเช่น สาร terbium-iron 2 (TbFe2) ซึ่งมีจำนานอะตอม terbium / อะตอม iron ในอัตราส่วน 1:2 ทุกหนแห่ง เพื่อเพิ่มเสถียรภาพของโครงสร้างไม่ให้โมเมนต์แม่เหล็กเปลี่ยนตำแหน่งได้ง่าย และ Croat ก็ได้ความรู้นี้จาก Art Clark แห่ง Naval Surface Weapons Laboratory โดยในปี 1976 เมื่อ Clark นำสาร TbFe2 (terbium iron two) มาหลอมให้อ่อนตัว แล้วทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว ขณะสารมีอุณหภูมิสูง เมื่อลดถึงอุณหภูมิ 350 °C สมบัติ coercivity ของ TbFe2 ก็ได้พุ่งสูง จนมีค่ามากถึง 3.5 กิโลเออร์สเตด (kilo-oested) ตัวเลขนี้ได้ทำให้ทุกคนรู้สึกแปลกใจมาก Croat จึงสันนิษฐานว่า ขณะ TbFe2 ตกผลึก ได้เกิดเฟสที่ไม่เสถียรขึ้นในสารประกอบ rare-earth กับ iron เพราะผลึกของสารนี้มีโครงสร้างแบบลูกบาศก์ และผลึกลูกบาศก์จะไม่แสดงสมบัติ coercivity ดังนั้นผลึกใหม่จะต้องมีโครงสร้างแบบ hexagonal, rhombohedral หรือ tetragonal ซึ่งหมายความว่า ขณะที่สารกำลังตกผลึก ในผลึกได้มี phase ใหม่เกิดขึ้น เป็น phase ที่ไม่เสถียร ดังนั้นเขาจึงต้องเติมธาตุใหม่เข้าไป เพื่อให้ผลึกเสถียรและ Croat ได้เติม boron และพบว่าสารใหม่ คือ neodymium-iron-boron มีเสถียรภาพมาก และมีค่า coercivity สูง
ด้าน Masato Sagawa ก็ได้พบองค์ความรู้ใหม่นี้ในเวลาเดียวกันด้วย แต่ใช้เทคนิคต่างกัน คือ Croat ใช้วิธี melt-spinning และ Sumitomo ใช้กระบวนการ sintering ผลที่เกิดขึ้น จึงมีสมบัติแตกต่างกัน คือ แม่เหล็กถาวรของ Sagawa มีความยืดหยุ่นและแข็งแรงกว่า แต่แม่เหล็กของ Croat มีราคาถูกกว่า และตลาดโลกนิยมใช้แม่เหล็กทั้งสองมากพอ ๆ กัน คือ ใช้ทำ micromotor ใน hard-disk drive, ใน CD-ROM หรือใน stepper motor
โดยเฉพาะใน hard-disk drive นั้น ถ้าไม่มีแม่เหล็ก NdFeB การจะทำให้ตัว hard-disk drive มีขนาดเล็กลง จะเป็นเรื่องที่ยากมาก เพราะในสมัยก่อนที่จะมีแม่เหล็ก NdFeB อุปกรณ์ hard-disk drive จะหนักตั้งแต่ 10-20 กิโลกรัม และตอนนี้มันมีขนาดเล็กลงมาก
หลังจากที่ได้พบเทคนิคการสร้างแม่เหล็กถาวรราคาถูก และมีสมรรถภาพสูงแล้ว ทางบริษัท GM กับบริษัท Sumitomo ก็ได้จดลิขสิทธิ์ให้ทั้งสองผลิตขายได้ โดย Sumitomo ผลิตแม่เหล็กขนาดจิ๋วที่ใหญ่กว่า 1 micron และ GM ผลิตแม่เหล็กขนาดจิ๋วที่เล็กกว่า 1 micron ให้ขายได้ทั่วโลก ทั้งในอเมริกา เอเชีย และยุโรป รวมถึงแอฟริกา
คนทั้งสองมีความเห็นว่า ในอนาคตแม่เหล็กที่ทำจาก rare-earth ก็ยังเป็นเรื่องจำเป็นที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ และเมื่อจีนเป็นประเทศที่มี rare-earth มากที่สุด ปัญหาการตลาดของ rare-earth จึงจะมีต่อไปอีกนาน และคงจะต้องพึ่งพาประเทศอื่น เช่น ออสเตรเลีย อเมริกา และแคนาดา ซึ่งมีเหมือง rare-earth ขนาดใหญ่ ก็คงจะช่วยในประเด็นความขาดแคลนได้บ้าง
ในอนาคต Sagawa คิดว่า ธาตุ iron-nickel จะมีบทบาทมาก ในการใช้ทำแม่เหล็กถาวร และโดยเฉพาะก็คือ ธาตุ iron-nickel-cobalt ที่ไม่มีธาตุหายากเป็นองค์ประกอบเลย
ข้อมูลทางธรณีวิทยา ได้ระบุว่า โลกมี 4 ประเทศ ที่มีธาตุหายากรวมกันมากกว่า 76% ที่โลกมี คือ ออสเตรเลีย 5% รัสเซีย 6% อเมริกา 13% และจีน 52% ถึงวันนี้ประมาณ 97% ของธาตุหายากที่ผลิตได้มาจากจีน ดังนั้นเวลามีความขัดแย้งทางการเมืองเกิดขึ้น จีนมักตัดสินใจลดการผลิตธาตุหายากทันที ตลาดการค้าเรื่องนี้จึงถูกกระทบกระเทือน เหมือนเมื่อครั้งที่ประเทศอาหรับขู่เรื่องการผลิตน้ำมัน
สำหรับสถิติการผลิต REE ของโลกในปี 2021 นั้น เรามีข้อมูลที่แสดงให้เห็นว่า จีนผลิตได้ 60.63% สหรัฐอเมริกา 15.52% พม่า 9.81% ออสเตรเลีย 7.94% และไทย 2.89% มาเป็นอันดับ 5 ของโลก ตัวเลขเหล่านี้ แสดงให้เห็นว่า เรามีธาตุหายากที่ใคร ๆ ก็ต้องการ แต่เรายังไม่มีอุตสาหกรรมไฮเทคที่ใช้ REE เลย
ในอดีตเวลาเราดูตารางธาตุ เราจะเห็นธาตุต่าง ๆ ถูกแบ่งออกเป็นหมวดหมู่ ทำให้ดูเสมือนเป็นเมืองที่มีคนหลายกลุ่มอาศัยอยู่ เช่น เห็นทองคำ (Au) และเงิน (Ag) ที่มีมูลค่าสูง จึงเปรียบเสมือนเป็นบริเวณเศรษฐี มีเหล็ก (Fe) กับนิเกิล (Ni) ที่มีประโยชน์ในทางอุตสาหกรรม จึงเปรียบเสมือนเป็นบริเวณนิคมอุตสาหกรรม เห็นยูเรเนียม (U) พลูโตเนียม (Pu) และเรเดียม (Ra) ซึ่งมีประโยชน์ในการใช้กัมมันตรังสีรักษามะเร็ง จึงเปรียบเสมือนเป็นบริเวณสาธารณสุข และเห็นธาตุหายาก เช่น lanthanum (La), lutetium (Lu), scandium (Sc) และ yttrium (Y) ซึ่งเป็นธาตุที่โลกกำลังให้ความสนใจ จึงเปรียบเสมือนเป็นบริเวณรอยต่อระหว่างเมืองกับชนบท
แต่เมื่อถึงวันนี้ ในขณะที่โลกเทคโนโลยียุคใหม่กำลังต้องการจะใช้ REE มาก โลกก็ต้องประสบปัญหา เพราะปริมาณ REE เริ่มร่อยหรอไปทุกวัน และวิธีการสกัดแร่ REE นี้ ก็ใช้กระบวนการที่ต้องลงทุนมาก ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นจะต้องหาวิธีสกัดแร่ REE ให้มีราคาถูกลง หรือไม่ก็ต้องหาวิธีสังเคราะห์ธาตุเหล่านี้ให้ได้ในอนาคต ซึ่งก็เป็นเรื่องที่ต้องลงทุนมากยิ่งขึ้นไปอีก
อ่านเพิ่มเติมจาก Degrees of Separation โดย Xiaozhi Lim ใน Nature ฉบับที่ 520 ประจำวันที่ 25 เมษายน 2015
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
