นักวัสดุศาสตร์สังเคราะห์วัสดุที่แข็งแกร่งและยืดหยุ่นที่สุดในปฐพี
#DowThailandGroup
(เรียบเรียงโดย ดร.เสาวภาคย์ ชุ่มวัฒนะ, ภาพโดย ศิริญพร เจตบรรจง)
วัสดุที่ทั้งแข็งแรงและยืดหยุ่นนั้นไม่ได้สังเคราะห์ขึ้นได้ง่าย ๆเพราะวัสดุที่แข็งแรงนั้นต้องแกร่งพอจะคงรูปร่างไว้
ส่วนวัสดุที่ยืดหยุ่นได้ต้องสามารถเปลี่ยนรูปร่างแล้วกลับคืนสู่รูปร่างเดิมได้
การสังเคราะห์วัสดุให้มีทั้ง 2 คุณสมบัตินี้จึงเป็นสิ่งที่ท้าทายมากสำหรับนักวัสดุศาสตร์
ล่าสุด Julia R. Greer ผู้เชี่ยวชาญทางวัสดุศาสตร์จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย
ตีพิมพ์บทความวิจัยเกี่ยวกับวัสดุที่ทั้งแข็งแกร่งและยืดหยุ่นในวารสาร Nature Nanotechnology เมื่อเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 2019 โดยแม้วัสดุดังกล่าวจะเป็นชิ้นส่วนเล็กๆ ก็ยังถูกบีบอัดให้เล็กลงครึ่งหนึ่งจากขนาดปกติได้ แถมยังมีน้ำหนักเบาและทนความร้อน
มันจึงเป็นอีกวัสดุทางเลือกสำหรับงานด้านอากาศยาน อวกาศ เครื่องยนต์ จนไปถึงเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ก่อนหน้านี้นักวัสดุศาสตร์สามารถสังเคราะห์วัสดุชื่อ แอโรเจล จากธาตุคาร์บอนซึ่งเป็นวัสดุที่น้ำหนักเบา และยืดหยุ่นได้สุดๆ ต่อมานักวิจัย Julia R. Greer ร่วมกับ Xiaoyan Li จากมหาวิทยาลัย Tsinghua และ Huajian Gao จากมหาวิทยาลัย Brown ได้ทดสอบคุณสมบัติของธาตุคาร์บอนที่มีโครงสร้างแบบไพโรไลติก (pyrolytic) ซึ่งได้จากการให้ความร้อนแก่สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่อุณหภูมิสูงๆในสภาวะสุญญากาศ แม้ธาตุคาร์บอนที่มีโครงสร้างแบบไพโรไลติกที่ได้จะแข็งแกร่งขนาดที่ใช้เป็นส่วนประกอบในการสร้างจรวดและเตาเผาสำหรับห้องปฏิบัติการ แต่โครงสร้างนี้ไม่ยืดหยุ่นนัก นั่นแปลว่าถ้ารับแรงกดดันมาก ๆ มันจะแตกร้าวได้
ที่มารูป.de.aliexpress.com
กลุ่มวิจัยจึงเปลี่่ยนจากสารประกอบไฮโดรคาร์บอน มาใช้พอลิเมอร์ขนาด 0.7-12.7 ไมครอนที่ได้จากเทคนิคการพิมพ์สามมิติที่เรียกว่า two-photon lithography มาสร้างโครงสร้างแบบไพโรไลติกแทน(ขนาด 0.7-12.7 ไมครอน ถือว่าเล็กมากๆ เพราะเส้นผมปกติก็ขนาดประมาณ 75 ไมครอน) หลังจากนั้นให้ความร้อนที่ 900 องศาเซลเซียสแก่พอลิเมอร์จิ๋วนี้จนได้เป็นวัสดุแท่งจิ๋วที่เจ๋งกว่าเดิม
คาร์บอนแบบไพโรไลติกแท่งจิ๋วนี้ทนแรงดันได้ถึง 13.7GPa = 137,000 บาร์ (เครื่องตอกเสาเข็มทั่วไปมีแรงดัน 130-150 บาร์ .. แค่นั้นก็แผ่นดินสะเทือนแล้ว) ซึ่งถือว่าแกร่งกว่าเพชร คณะวิจัยยังพบอีกว่าถ้ายิ่งเป็นแท่งคาร์บอนที่บางก็ยิ่งยืดหยุ่น โดยถ้าบางกว่า 2.3 ไมครอน จะสามารถรับแรงกดดันจนถูกบีบอัดจนเหลือแค่ครึ่งเดียวจากขนาดปกติแล้วกลับสู่รูปทรงเดิมได้โดยไม่มีรอยแตกร้าวเลย แต่ถ้าแท่งหนากว่า 2.3 ไมครอน ความยืดหยุ่นจะลดลง จึงทนความดันได้น้อยลงครึ่งหนึ่ง (ประมาณ 6.8 GPaซึ่งก็นับว่าเยอะอยู่ดี) ก่อนที่จะแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย
ที่มารูป.ScienceDirect
Suitable photo-resists for two-photon polymerization using ...
การตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน พบว่าคาร์บอนแบบไพโรไลติกแท่งจิ๋วนี้ มีพันธะระหว่างอะตอมคาร์บอนแบบเดียวกับเพชร แต่มีช่องเล็กๆ ยาว 1 นาโนเมตรของโครงสร้างกราฟีนขดอยู่ ซึ่งเมื่อมีความดันกดลงบนวัสดุนี้ ชั้นกราฟีนจะทำให้เกิดการไถลเลื่อนระหว่างโครงสร้าง ทำให้วัสดุนี้แม้จะแข็ง แต่ก็สามารถเปลี่ยนทรงและคืนรูปได้
Markus J. Buehler วิศวกรโยธรและสิ่งแวดล้อมจากมหาวิทยาลัย MIT กล่าวถึงวัสดุนี้ว่า "งานวิจัยนี้เป็นตัวอย่างที่น่าทึ่งของการออกแบบวัสดุ และสร้างโครงสร้างระดับนาโนเพื่อให้ได้คุณสมบัติที่ต้องการ และยิ่งเป็นวัสดุที่รองรับแรงกดดันได้มากขนาดนี้ ก็ยิ่งเป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่"
ในอนาคต โลกของเราคงมีวัสดุสังเคราะห์ที่มีคุณสมบัติเหลือเชื่อแบบนี้เกิดขึ้นอีกมากมาย ซึ่งงานวิจัยเหล่านี้นอกจากจะเปลี่ยนแปลงวิถีชีวิตของมนุษย์เราแล้ว ยังกระตุ้นให้จินตนาการชวนให้เราสร้างสรรค์วัสดุใหม่ๆต่อไปอย่างไร้ที่สิ้นสุดด้วย
- 16
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
