“แข็งแกร่งยิ่งกว่าเพชร" นักวิจัยจีนค้นพบวิธีสังเคราะห์แก้วชนิดใหม่ที่แข็งจนสามารถ ”ตัดเพชร” ได้ !!
หากพูดถึงเพชรแน่นอนว่ามันมีเหตุผลที่เรายกมันให้มันเป็นวัสดุในธรรมชาติที่แข็งที่สุดตามมาตรวัดความแข็งแบบวิกเกอร์ (Vickers hardness: VH) โดยเพชรสามารถทนต่อแรงกดดันได้ถึงราว 70 Gigapascals (GPA) หรือราวๆ 70,000 เท่าของแรงดันบรรยากาศ แต่ช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาดูเหมือนเราต้องทบทวนความรู้กันใหม่แล้วว่า เพชรอาจไม่ใช่วัสดุที่แกร่งที่สุดในโลกอีกต่อไป
เมื่อล่าสุดทีมนักวิจัยจากประเทศจีน [1] [2] ได้พัฒนาวิธีสร้างแก้วสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) แบบใหม่จากธาตุคาร์บอนที่มีคุณสมบัติเป็นของแข็งอสัณฐาน (amorphous solid) แต่แกร่งยิ่งกว่าเพชรซะอีก โดยเจ้าของแข็งอสัณฐานคือของแข็งที่ไม่มีรูปผลึก อนุภาคเรียงตัวไม่เป็นระเบียบมีสมบัติทั่วๆ ไปคล้ายผลึก แตกต่างกันที่ไม่มีรูปทรงเรขาคณิตที่แน่นอน
เพชรได้ชื่อว่าเป็นวัสดุที่แกร่งที่สุดในธรรมชาติ แต่ถึงเวลาที่เราต้องเปลี่ยนความคิด!!
โดยทีมนักวิจัยเรียกแก้วสารกึ่งตัวนำที่สร้างขึ้นว่า "AM-III" โดยมันมีค่าความแข็งในหน่วย VH สูงถึง 113 GPA หรือเกือบราว ๆ สองเท่าของเพชร !! สิ่งที่เป็นเคล็ดลับความแข็งแกร่งของแก้วชนิดนี้คือโครงสร้างสุดพิเศษของมันที่ผสมผสานระหว่างโครงสร้างผลึกและโครงสร้างแบบของแข็งอสัณฐานนั่นเอง
เคล็ดลับความแกร่งคือโครงสร้างลูกผสมสุดแปลกประหลาด
นักวิจัยกล่าวว่าโครงสร้างของแก้ว "AM-III" ถูกสร้างมาจากธาตุคารบอนรูปแบบพิเศษที่เรียกว่า "ฟูลเลอรีนส์ (fullernes)" ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีอะตอมคาร์บอนมาเชื่อมต่อกันเป็นกรงทรงกลมที่ตรงกลางกลวง จนทำให้หลายคนตั้งชื่อเล่นมันว่า "ลูกฟุลบอลคาร์บอน" ในโครงสร้างแก้ว AM-III นั้น เจ้าฟูลเลอรีนส์จะถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเป็นโครงตาข่ายขนาดใหญ่ที่เป็นระเบียบอีกทีหนึ่ง
เคล็ดลับความแกร่งของแก้ว AM-III คือโครงสร้าง "ลูกฟุตบอลคาร์บอน" อย่างฟูลเรอลีนส์ที่ถูกเชื่อมต่อกันเป็นโครงสร้างตาข่ายขนาดยักษ์ผสานในโครงสร้างลูกผสม
แต่สิ่งที่ทำให้แก้ว AM-III แตกต่างจริง ๆ นั่นคือโครงสร้างลูกผสมสุดแปลกประหลาดของมัน เพราะเมื่อคุณมองแบบ Zoom-in เข้าไปในโครงสร้าง คุณจะพบกับโครงสร้างของฟูลเลอรีนส์ที่เรียงตัวคล้ายผลึกอย่างเป็นระเบียบคล้ายกับที่พบในเพชร แต่ถ้าคุณลอง Zoom-out ออกมาคุณจะพบกับโครงสร้างแบบของแข็งอสัณฐานที่ไร้ระเบียบกระจัดกระจายไปทั่วโครงสร้าง สิ่งนี้เองทำให้มันมีความโปร่งแสงแบบแก้วแต่ก็แกร่งมากพอแบบเดียวกับเพชร
เคล็ดลับความแกร่งของแก้ว AM-III คือโครงสร้างลูกผสมระหว่างของแข็งอสัณฐานแบบแก้วและโครงสร้างผลึกแบบเพชรกระจายกันทั่วในโครงสร้างของมัน
แม้จะฟังดูเรียบง่ายแต่การสร้างวัสดุแบบนี้เป็นเรื่องยากมาก นั่นเพราะว่าตัวฟูลเลอรีนส์เป็นวัสดุที่ "ถูกบี้ได้ง่ายมาก" เมื่อมันเจอแรงดันสูงๆ พวกมันจะยุบรวมตัวกัน ด้วยเหตุนี้ทีมวิจัยจึงต้องระมัดระวังอย่างมากในการสร้างแก้ว AM-III เพราะต้องเลือกสภาวะทั้งอุณหภูมิและความดันอย่างเหมาะสม ไม่งั้นแล้วถ้าใช้แรงดันสูงไปผลลัพธ์ที่ได้อาจจะได้เพชรแทนที่จะเป็นแก้ว AM-III
สุดท้ายทีมนักวิจัยก็พบว่าการอบผงฟูลเลอรีนส์ภายใต้สภาวะที่มีความดันสูงราว 25 GPa และอุณหภูมิ 1,200 องศาเซลเซียส อย่างช้าๆ เป็นเวลา 12 ชั่วโมงและค่อย ๆ ทำให้พวกมันเย็นตัวลงด้วยเวลาเท่ากันถึงจะผลิตแก้วในแบบที่ต้องการได้และเมื่อนำมันไปกรีดที่ผิวของเพชร ปรากฏว่าพวกมันสามารถสร้างรอยขีดข่วนบนเพชได้อย่างง่ายดายแบบเดียวกับมีดตัดกระจก !!!
แก้ว AM-III มีลักษณะเป็นของแข็งสีเหลืองอำพัน มันทำให้เกิดรอยขีดข่วนบนผิวเพชรได้อย่างง่ายดายแบบเดียวกับมีดตัดกระจก
แก้ว AM-III คือซุปเปอร์วัสดุสำหรับโลกอนาคต
แน่นอนว่าแม้แก้ว AM-III จะไม่ใช่วัสดุที่แข็งที่สุดในโลก โดยวัสดุที่แข็งที่สุดคือผลึก boron nitride ที่ทนแรงดันได้ถึง 200 GPa ซึ่งถูกสร้างโดยทึมวิจัยเดียวกันกับงานนี้ [4] และในปัจจุบันก็ยังไม่มีวัสดุใดล้มแชมป์ความแกร่งนีได้ แต่สิ่งที่ทำให้แก้ว AM-III พิเศษกว่าคือมันเป็นวัสดุกึ่งตัวนำไฟฟ้าที่นำไฟฟ้าดีพอ ๆ กับซิลิคอนแถมระบายความร้อนได้รวดเร็วกว่ามาก มันจึงเหมาะสมมากในการนำไปใช้ทำซิปเซมิคอนดักเตอร์ในอุปกรณ์อิเลกทรอนิกส์
ผลึก boron nitride ได้ชื่อว่าเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดในโลกเท่าที่เคยสังเคราะห์ได้ มันถูกสร้างครั้งแรกในปี 2013 [4] และในปัจจุบันยังไม่มีใครโครตแชมป์มันได้
นอกจากนี้แล้วในขณะที่วัสดุแข็งประเภทอื่น ๆ ถูกจำกัดการใช้งานอยู่แค่การเคลือบเป็นฟิมล์บาง ๆ บนพื้นผิวของวัสดุเท่านั้น แต่สำหรับแก้ว AM-III แล้วเราสามารถผลิตมันได้ในรูปทรงและขนาดต่าง ๆ ตามความต้องการ นี้เองเป็นข้อได้เปรียบมหาศาลที่ทำให้มันน่าสนใจมากในการนำไปทำเป็นวัสดุอัจฉริยะ ยกตัวอย่างเช่นหากนำแก้ว AM-III ไปผลิตกระจกกันกระสุน มันจะมีความแข็งแกร่งสูงกว่าราว 20-100 เท่าเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีกระจกกันกระสุนในปัจจุบัน
ในอนาคตอันใกล้เราอาจจะได้เห็นแก้ว AM-III ถูกใช้เป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำแบบใหม่แทนที่การใช้แผ่นซิปซิลิคอนแบบในปัจจุบันนี้
ถึงแม้ว่าแก้ว AM-III จะมีคุณสมบัติและศักยภาพที่น่าสนใจมาก แต่สิ่งหนึ่งที่นักวิจัยเองก็ออกมายอมรับคือ ต้นทุนในการผลิตมันให้เป็นสารกึ่งตัวนำในระดับอุตสาหกรรมนั่นยังมีต้นทุนที่แพงกว่าซิลิคอนถึง 10 เท่า แน่นอนว่านักวิจัยเองก็พยายามพัฒนาเทคนิคการผลิตต่อไปเพื่อสักวันหนึ่งเราอาจเห็นวัสดุสุดเจ๋งแบบนี้อยู่ในอุปกรณ์อิเลกทรอนิกส์ใกล้ตัวเราก็เป็นได้
อ้างอิงข้อมูลจาก
- 5
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
