"ควอซิคริสตัล" สสารที่เป็นไปไม่ได้: จากเศษฝุ่นอวกาศ สู่กุญแจไขความลับจักรวาล
ในปี 1945 ลินคอล์น ลาปาซ (Lincoln LaPaz) นักดาราศาสตร์ผู้หนึ่ง กำลังก้มหน้าก้มตาตามหาอุกกาบาตท่ามกลางความร้อนระอุของทะเลทราย ฆอร์นาดา เดล มูเอร์โต (Jornada del Muerto) ในรัฐนิวเม็กซิโก ทันใดนั้น เขาสังเกตเห็นบางสิ่งที่แปลกประหลาดท่ามกลางเศษฝุ่น... เปลือกแก้วสีแดงเลือดที่ส่องประกายระยิบระยับ
แม้ว่าสิ่งนั้นจะไม่ใช่อุกกาบาตที่เขาตามหา แต่มันก็มีความพิเศษมากพอที่จะทำให้เขาตัดสินใจเก็บรักษามันไว้
ต้องใช้เวลาหลายทศวรรษกว่าจะมีใครจะตระหนักว่า สิ่งที่ลาปาซค้นพบโดยบังเอิญนั้นมีความสำคัญเพียงใด เพราะสิ่งที่ฝังอยู่ภายในเศษแก้วชิ้นนั้นคือวัสดุชนิดพิเศษที่เรียกว่า "ควอซิคริสตัล" (Quasicrystal)
นี่คือสสารที่ครั้งหนึ่งนักวิทยาศาสตร์เคยเชื่อว่า "เป็นไปไม่ได้ในทางทฤษฎี" เนื่องจากมีรูปทรงทางเรขาคณิตของอะตอมที่ขัดต่อกฎเกณฑ์พื้นฐานทั้งหมดของผลึกศาสตร์
พอล สไตน์ฮาร์ด (Paul Steinhardt) หนึ่งในผู้บุกเบิกเรื่องนี้ได้กล่าวไว้: "เราอาจจะเดินเหยียบมันอยู่ทุกวันโดยไม่รู้ตัวเลยก็ได้"
เรื่องราวนี้คือการเดินทางอันยาวนานเพื่อติดตามนักวิทยาศาสตร์ที่ไม่ยอมแพ้ เพื่อพิสูจน์ว่าสสารชนิดนี้ไม่ได้เป็นเพียงความผิดปกติในห้องทดลอง แต่เป็นส่วนหนึ่งที่ซ่อนเร้นอยู่ในโลกของเรา และอาจเป็นกุญแจสำคัญในการไขความลับเกี่ยวกับประวัติศาสตร์อันโกลาหลของโลกและระบบสุริยะ
โลกแห่งผลึก: กฎเกณฑ์ที่ไม่อาจทำลาย
หากนึกถึง "ผลึก" เรามักจะนึกถึงสิ่งที่สวยงามและเป็นระเบียบอย่างยิ่ง เช่น เกลือแกงหรือเพชร ผลึกเหล่านี้สร้างขึ้นจากการที่ "โมทิฟ" (Motif) หรือการจัดเรียงตัวของกลุ่มอะตอมในรูปแบบเฉพาะ มาเรียงซ้ำกันอย่างสมบูรณ์แบบในสามมิติ กฎเกณฑ์นี้เคยถูกมองว่าเข้มแข็งและไม่อาจเปลี่ยนแปลงได้
ข้อจำกัดของผลึกแบบดั้งเดิมสามารถสรุปได้ดังนี้:
1. กฎทางคณิตศาสตร์: ในช่วงศตวรรษที่ 19 นักคณิตศาสตร์ได้จำแนกโครงสร้างผลึกที่เป็นไปได้ทั้งหมด และสรุปว่ามีเพียง 230 รูปแบบ เท่านั้นที่เป็นไปได้ในทางคณิตศาสตร์
2. สมมาตรต้องห้าม (Forbidden Symmetries): หนึ่งในกฎเหล็กคือผลึกไม่สามารถมีสมมาตรการหมุนห้าเท่า (Fivefold Rotational Symmetry) แบบที่พบในรูปห้าเหลี่ยมหรือดาวทะเลได้ เหตุผลง่ายๆ ก็คือ รูปทรงที่มีสมมาตรลักษณะนี้ไม่สามารถนำมาเรียงต่อกันให้เต็มพื้นที่ได้โดยไม่มีช่องว่างหรือการทับซ้อน (เหมือนกับการพยายามปูพื้นห้องด้วยกระเบื้องรูปห้าเหลี่ยม ซึ่งจะทำไม่ได้อย่างเด็ดขาด)
พอล สไตน์ฮาร์ด นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ได้เน้นย้ำถึงความเชื่อที่ฝังรากลึกนี้ว่า "วัสดุที่มีระเบียบทั้งหมดที่มนุษย์เคยค้นพบ ไม่ว่าจะในห้องทดลอง ในธรรมชาติ หรือในอวกาศ... ล้วนถูกจำกัดอยู่ในรายการนี้ (230 รูปแบบ) จนถึงทศวรรษ 1980"
ทว่าความเชื่ออันยาวนานนี้กำลังจะถูกท้าทายโดยแนวคิดใหม่ที่พลิกวงการวิทยาศาสตร์วัสดุไปตลอดกาล
จากทฤษฎีสู่ห้องทดลอง: เมื่อสิ่งที่เป็นไปไม่ได้กลายเป็นจริง
จุดเปลี่ยนครั้งสำคัญเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษ 1980 จากความพยายามของนักวิทยาศาสตร์สองกลุ่มที่ทำงานแยกกัน:
1. พอล สไตน์ฮาร์ด (Paul Steinhardt) และ ดอฟ เลอวีน (Dov Levine): ในปี 1983 พวกเขาเป็นคนแรกที่เสนอแนวคิดเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับ "ควอซิคริสตัล" ซึ่งเป็นของแข็งที่รูปแบบการเรียงตัวของอะตอมมีความเป็นระเบียบแต่ ไม่เคยซ้ำกันอย่างสมบูรณ์แบบ คุณสมบัตินี้เองที่เปิดพื้นที่ทางคณิตศาสตร์ให้กับ "สมมาตรต้องห้าม" อย่างสมมาตรห้าเท่าได้
2. แดเนียล เชคท์แมน (Daniel Schechtman): เขาได้ค้นพบวัสดุนี้เป็นครั้งแรกในปี 1982 และเพียงสองปีถัดมา ในปี 1984 เชคท์แมนได้ตีพิมพ์ผลงานการค้นพบโลหะผสมที่เขาสร้างขึ้นในห้องทดลอง ซึ่งแสดงสมมาตรแบบห้าเท่าได้อย่างชัดเจน เป็นการยืนยันว่าแนวคิดของสไตน์ฮาร์ดและเลอวีนนั้นเป็นจริง
เมื่อควอซิคริสตัลไม่ได้เป็นเพียงแนวคิดทางคณิตศาสตร์อีกต่อไป มันได้กลายเป็นวัสดุที่จับต้องได้ แต่วงการวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ยังคงไม่ยอมรับ นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากยืนกรานว่ามันเป็นเพียง "ความผิดปกติ" (Aberration) ที่ไม่เสถียร โดยให้เหตุผลว่าพวกมันไม่สามารถคงอยู่ได้นานหากปราศจากโครงสร้างอะตอมที่ซ้ำกันซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้ผลึกทั่วไปมีความเสถียร
จนกระทั่งเชคท์แมนได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2011 ความคิดนี้จึงเริ่มเปลี่ยนแปลงไป แต่สำหรับสไตน์ฮาร์ด การต่อสู้ยังไม่จบ เขาเชื่อว่าสสารชนิดนี้ต้องมีอยู่จริงในธรรมชาติ และการเดินทางเพื่อพิสูจน์ความเชื่อของเขากำลังจะเริ่มต้นขึ้น
การไล่ล่าครั้งยิ่งใหญ่: ภารกิจค้นหาในธรรมชาติ
สไตน์ฮาร์ดได้ร่วมมือกับ ลูกา บินดี (Luca Bindi) นักธรณีวิทยาจากมหาวิทยาลัยฟลอเรนซ์ ประเทศอิตาลี ผู้มีพรสวรรค์ในการระบุแร่ธาตุชนิดใหม่ๆ ทั้งสองคนมีทักษะที่ส่งเสริมกันอย่างลงตัว: สไตน์ฮาร์ดเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎี ส่วนบินดีคือผู้เชี่ยวชาญด้านหินและแร่
ความสำเร็จครั้งแรกเกิดขึ้นเมื่อบินดีได้ค้นหาตัวอย่างแร่ในพิพิธภัณฑ์ของมหาวิทยาลัย เขาพบกับอุกกาบาตชื่อ "คาตีร์กา" (Khatyrka) และเมื่อตรวจสอบก็พบว่าเกล็ดเล็กๆ ที่อุดมด้วยอะลูมิเนียมในหินอวกาศสีเทาอมลาย (mottled grey space rock) ชิ้นนั้น คือควอซิคริสตัลจากธรรมชาติชิ้นแรกที่เคยมีการค้นพบ!
แต่ตัวอย่างจากพิพิธภัณฑ์ยังไม่เพียงพอ เพื่อพิสูจน์ว่าควอซิคริสตัลเป็นนักเดินทางแห่งจักรวาลที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติอย่างแท้จริง ทีมงานจึงต้องออกเดินทางสู่ต้นกำเนิดของมัน พวกเขาผจญภัยไปยังแคว้นคาตีร์กาอันห่างไกลในรัสเซียตะวันออกเฉียงเหนือ ต้องเดินทางด้วยรถตีนตะขาบฝ่าทุ่งทุนดราที่หนาวเหน็บเป็นเวลาสี่วัน และทำงานอย่างหนักเพื่อร่อนดินเหนียวหนักกว่า 1.4 ตัน
ความพยายามอันแสนสาหัสนี้ให้ผลตอบแทนเป็นเศษอุกกาบาตเพียง 0.1 กรัม แต่ในนั้นเอง พวกเขาได้ค้นพบควอซิคริสตัลเพิ่มอีกถึงสองชนิด ที่น่าทึ่งยิ่งกว่านั้นคือ หนึ่งในสามของควอซิคริสตัลที่พบในอุกกาบาตคาตีร์กามีโครงสร้างที่ไม่มีใครเคยคาดการณ์มาก่อน ไม่ว่าจะในแบบจำลองหรือจากการทดลองใดๆ
การเดินทางครั้งนี้ยังได้มอบเบาะแสที่สำคัญยิ่งกว่านั้น ทีมวิจัยสังเกตเห็นว่าควอซิคริสตัลในอุกกาบาตคาตีร์กาถูกล้อมรอบด้วย "สติโชไวต์" (Stishovite) ซึ่งเป็นแร่ควอตซ์ชนิดหนึ่งที่ก่อตัวขึ้นภายใต้แรงดันมหาศาลเท่านั้น รายละเอียดเล็กๆ นี้ได้จุดประกายความคิดใหม่เกี่ยวกับ "สูตร" ในการสร้างควอซิคริสตัล
สูตรลับจากความโกลาหล: ไม่ใช่ความประณีต แต่คือพลังทำลายล้าง
การค้นพบในอุกกาบาตคาตีร์กาได้เปลี่ยนความเข้าใจเกี่ยวกับวิธีเกิดควอซิคริสตัลไปโดยสิ้นเชิง จากเดิมที่เคยคิดว่าเป็นกระบวนการที่ละเอียดอ่อน กลับกลายเป็นว่ามันอาจเกิดจากเหตุการณ์ที่รุนแรง
- ●ความเชื่อดั้งเดิม (ในห้องทดลอง): ต้องใช้กระบวนการที่ละเอียดอ่อนและควบคุมอย่างเข้มงวด ต้องมีการหลอม ผสม และทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ ในอัตราส่วนที่แม่นยำ
- ●ความจริงที่ค้นพบ (ในธรรมชาติ): เกิดขึ้นได้ทันทีจากเหตุการณ์รุนแรง ต้องการเพียงแรงกระแทก แรงระเบิด หรือการปล่อยประจุไฟฟ้ามหาศาล
เพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ พอล เอซิมอฟ (Paul Asimow) นักธรณีวิทยาจากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย ได้ทำการทดลองที่เรียบง่ายแต่ทรงพลัง เขาใช้ปืนยิงโลหะที่เป็นส่วนประกอบของควอซิคริสตัลเข้าด้วยกันด้วยความเร็วสูง
ผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าทึ่ง "มันง่ายมาก" เอซิมอฟกล่าว "เราสามารถหาควอซิคริสตัลเจอได้เกือบทุกครั้ง" ที่สำคัญ วิธีการนี้ยังสร้างควอซิคริสตัลชนิดใหม่ๆ ที่มีสมมาตรห้าเท่าและองค์ประกอบทางเคมีที่ไม่เคยมีใครพบเห็นมาก่อนได้อีกด้วย
เอซิมอฟตั้งสมมติฐานถึงเหตุผลที่เป็นไปได้ไว้สองทาง คือ "บางทีควอซิคริสตัลอาจจะเสถียรที่อุณหภูมิสูง และแรงกระแทกอย่างฉับพลันก็ทำให้มันเย็นตัวลงเร็วพอที่จะ 'แช่แข็ง' โครงสร้างนั้นไว้ หรือบางทีการไหลแบบปั่นป่วนที่เกิดหลังคลื่นกระแทกอาจผลักดันอะตอมให้จัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างควอซิคริสตัล"
แนวคิด "สูตรแห่งความโกลาหล" นี้ได้รับการยืนยันจากการค้นพบเพิ่มเติมอีกหลายครั้ง:
- 1.ทรินิไทต์ (Trinitite): คือเศษแก้วสีแดงที่เกิดจากการทดลองระเบิดปรมาณูครั้งแรกของโลก (Trinity test) ในปี 1945 ซึ่งเป็นชิ้นเดียวกับที่ลาปาซค้นพบ ในปี 2021 ทีมของสไตน์ฮาร์ดและบินดีได้ยืนยันว่าภายในเศษแก้วกัมมันตรังสีนี้มีควอซิคริสตัลที่มนุษย์สร้างขึ้นเป็นครั้งแรกอยู่ด้วย
- 2.ฟุลกูไรต์ (Fulgurite): หรือที่รู้จักกันในชื่อ "ซากฟ้าผ่า" ทีมวิจัยได้ค้นพบควอซิคริสตัลในตัวอย่างที่เกิดจากฟ้าผ่าลงบนทรายและสายไฟฟ้าในรัฐเนแบรสกา
เมื่อพบว่าควอซิคริสตัลสามารถก่อตัวขึ้นจากแรงกระแทกบนโลกได้แล้ว คำถามต่อไปคือ พวกมันจะพบได้ทั่วไปในอวกาศที่เต็มไปด้วยการปะทะหรือไม่?
หน้าต่างบานใหม่สู่จักรวาลและโลกของเรา
การค้นพบควอซิคริสตัลในธรรมชาติได้เปิดศักยภาพใหม่ๆ ที่น่าตื่นเต้น งานวิจัยล่าสุดของ เหวินห่าว ซุน (Wenhao Sun) จากมหาวิทยาลัยมิชิแกนได้พิสูจน์ทางทฤษฎีว่า ควอซิคริสตัลบางชนิดมีความเสถียรอย่างแท้จริง และสามารถคงอยู่ได้นานหลายล้านหรือหลายพันล้านปีโดยไม่สลายตัวไปเป็นผลึกธรรมดา
ด้วยความทนทานอันน่าทึ่งนี้ ควอซิคริสตัลจึงสามารถทำหน้าที่เป็น "พยานแห่งประวัติศาสตร์" ที่บันทึกเหตุการณ์รุนแรงในอดีตเอาไว้ได้ มันอาจเป็นเครื่องหมายที่บ่งบอกถึงการชนกันของดาวเคราะห์น้อยในช่วงกำเนิดระบบสุริยะ และอาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถ "อ่าน" ประวัติศาสตร์ของดาวเคราะห์ที่ถูกอุกกาบาตพุ่งชนอย่างดาวอังคารหรือดวงจันทร์ได้ (ซึ่งเป็นเหตุผลที่ทีมวิจัยพยายามขอตัวอย่างหินจากภารกิจอพอลโลมาศึกษา)
ยิ่งไปกว่านั้น การค้นพบ "Quasicrystal Approximant" ในหินจากประเทศออสเตรเลีย ยังเป็นสัญญาณที่น่าสนใจอย่างยิ่งว่า ควอซิคริสตัลที่ "ถือกำเนิดบนโลก" อาจมีอยู่จริง โดยก่อตัวขึ้นจากกระบวนการเปลี่ยนแปลงอันทรงพลังลึกลงไปใต้เปลือกโลก
นี่อาจเป็นหน้าต่างบานใหม่สู่ปรากฏการณ์ทางธรณีวิทยาที่ซ่อนอยู่ใต้เท้าของเรา ซึ่งเป็นแนวทางการวิจัยที่แตกต่างจากการชนหรือฟ้าผ่าโดยสิ้นเชิง
🏡 เมื่อธรรมชาติซ่อนความลับไว้ในดินแดนของเรา
เรื่องราวการค้นพบสสารลึกลับในธรรมชาติ อาจฟังดูไกลตัว แต่สำหรับประเทศไทยที่มีความหลากหลายทางธรณีวิทยา เราเองก็อาจมี "ขุมทรัพย์ทางวิทยาศาสตร์" ซ่อนอยู่เช่นกันครับ
ไทยเรามีพื้นที่ที่มีประวัติศาสตร์ทางธรณีวิทยาที่ซับซ้อน มีทั้งร่องรอยภูเขาไฟโบราณ (เช่น ที่บุรีรัมย์) หรือพื้นที่ที่เคยถูกอุกกาบาตพุ่งชน (เช่น หลุมอุกกาบาตที่เพชรบูรณ์) การค้นพบควอซิคริสตัลสอนให้เรารู้ว่า บางครั้งสิ่งที่มีค่าที่สุดอาจไม่ใช่แร่ทองคำหรืออัญมณี แต่เป็นเศษหินเศษแก้วที่เรามองข้าม
ในชีวิตประจำวัน การสังเกตสิ่งรอบตัวด้วยความสงสัยใคร่รู้ แบบเดียวกับที่ ลินคอล์น ลาปาซ ก้มลงมองเศษแก้วสีแดงในทะเลทราย อาจนำไปสู่การค้นพบที่เปลี่ยนโลกได้ หรืออย่างน้อยที่สุด ก็เปลี่ยนความเข้าใจที่เรามีต่อโลกใบนี้ครับ
🎯 สรุปประเด็นสำคัญ
✅ สสารที่เป็นไปไม่ได้: ควอซิคริสตัลคือสสารที่มีการเรียงตัวของอะตอมอย่างเป็นระเบียบแต่ไม่ซ้ำกัน ซึ่งเคยเชื่อว่าเป็นไปไม่ได้เพราะขัดกับกฎสมมาตร (เช่น มีสมมาตร 5 เท่า)
✅ การค้นพบ: เริ่มจากทฤษฎีในปี 1983 และการค้นพบในห้องทดลองปี 1984 โดย แดเนียล เชคท์แมน (รางวัลโนเบล) ก่อนที่ พอล สไตน์ฮาร์ด และ ลูกา บินดี จะพิสูจน์ว่ามันมีอยู่จริงในธรรมชาติจากอุกกาบาตคาตีร์กา
✅ สูตรแห่งความโกลาหล: เดิมเชื่อว่าต้องสร้างอย่างประณีต แต่ความจริงคือควอซิคริสตัลเกิดจาก "เหตุการณ์รุนแรง" เช่น แรงระเบิดนิวเคลียร์ (ทรินิไทต์), ฟ้าผ่า (ฟุลกูไรต์) หรือการชนกันในอวกาศ
✅ พยานแห่งประวัติศาสตร์: ความเสถียรของมันทำให้ควอซิคริสตัลเป็นบันทึกประวัติศาสตร์ชั้นดีของการกำเนิดระบบสุริยะ หรือการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาที่รุนแรง
✅ อนาคต: นักวิทยาศาสตร์กำลังล่าหาควอซิคริสตัลในสถานที่ใหม่ๆ เช่น น้ำแข็งขั้วโลก หรือใต้เปลือกโลก เพื่อไขความลับที่ซ่อนอยู่
💬 แล้วคุณล่ะครับ...
ถ้าวันหนึ่งคุณเดินไปเจอ "ก้อนหินหน้าตาประหลาด" คุณจะเลือกทำอะไรกับมันครับ? จะโยนทิ้งไป หรือจะเก็บมันมาตรวจสอบ เพราะมันอาจจะเป็นกุญแจไขความลับจักรวาลแบบควอซิคริสตัลก็ได้?
🔎 แหล่งอ้างอิง
1. Cutts, E. (2025). Why quasicrystals shouldn’t exist but are turning up in strange places. New Scientist. https://www.newscientist.com/article/2503289-why-quasicrystals-shouldnt-exist-but-are-turning-up-in-strange-places/
2. Padavic-Callaghan, K. (2025,). We finally understand why quasicrystals can exist. New Scientist. https://www.newscientist.com/article/2486903-we-finally-understand-why-quasicrystals-can-exist/
3. Sparkes, M. (2024). Incredibly complex mazes discovered in structure of bizarre crystals. New Scientist. https://www.newscientist.com/article/2437585-incredibly-complex-mazes-discovered-in-structure-of-bizarre-crystals/
4. Steinhardt, P. J. (2019). The Second Kind of Impossible: The Extraordinary Quest for a New Form of Matter. Simon & Schuster. ISBN 978-1476729947
5. Steinhardt, P. J., & Bindi, L. (2012). In search of natural quasicrystals. Reports on progress in physics. https://doi.org/10.1088/0034-4885/75/9/092601
6. Meier, M. M. M., et al. (2018). Cosmic History and a Candidate Parent Asteroid for the Quasicrystal-bearing Meteorite Khatyrka. Earth and Planetary Science Letters. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.03.025
7. Hu, J., et al. (2024). Quasicrystal synthesis by shock compression. Communications Chemistry. https://doi.org/10.1038/s42004-024-01319-8
8. Bindi, L., et al. (2021). Accidental synthesis of a previously unknown quasicrystal in the first atomic bomb test. PNAS. https://doi.org/10.1073/pnas.2101350118
9. Baek, W., et al. (2024). Quasicrystal bulk and surface energies from density functional theory. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.05200
10. Baek, W., et al. (2025). Quasicrystal stability and nucleation kinetics from density functional theory. Nature Physics. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02925-6
11. Bindi, L., et al. (2025). Jonlarsenite, Al 4 Cu 9 , a new intermetallic phase in the Al–Cu system discovered in a micrometeorite from Oslo, Norway. European Journal of Mineralogy. https://doi.org/10.5194/ejm-37-783-2025
12. Bindi, L., et al. (2024). Discovery of an Earthborn quasicrystal approximant. American Mineralogist. https://doi.org/10.2138/am-2024-9679
🙏 Link สนับสนุนค่ากาแฟ [https://ezdn.app/witlyofficial]
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
