ยุคใหม่ของวัสดุแข็งพิเศษ
นักวิจัยจีนทำสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกพยายามมานานกว่าหกทศวรรษได้สำเร็จ นั่นคือการสร้างเพชรหกเหลี่ยมบริสุทธิ์ในปริมาณมาก ความก้าวหน้าครั้งนี้ซึ่งเผยแพร่ในวารสาร Nature นับเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สังเคราะห์ตัวอย่างแร่รูปแบบคาร์บอนที่หาได้ยากชนิดนี้ขนาดระดับมิลลิเมตร วัสดุนี้มีทฤษฎีว่าแข็งกว่าเพชรลูกบาศก์ทั่วไป ซึ่งครองตำแหน่งวัสดุที่แข็งที่สุดบนมาตราความแข็งโมห์สมาหลายชั่วอายุคน
สารบัญ
ทีมวิจัยซึ่งประกอบด้วยนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเจิ้งโจว มหาวิทยาลัยจี๋หลิน และศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีความดันสูงขั้นสูง ได้ยุติข้อถกเถียงทางวิทยาศาสตร์ที่ดำเนินมายาวนานว่าเพชรหกเหลี่ยมมีอยู่จริงในฐานะวัสดุที่แตกต่างออกไปหรือไม่ ผลงานของพวกเขายืนยันว่า ลอนส์เดไลต์ ซึ่งค้นพบครั้งแรกในอุกกาบาตที่รัฐแอริโซนาเมื่อปี 1967 ไม่ใช่เพียงเพชรลูกบาศก์ที่มีตำหนิ แต่เป็นเฟสของคาร์บอนที่แท้จริงและมีคุณสมบัติเฉพาะ ซึ่งอาจพลิกโฉมการผลิตในภาคอุตสาหกรรม วิศวกรรมการบินและอวกาศ และเทคโนโลยีตรวจวัดควอนตัม
เพชรธรรมชาติก่อตัวลึกลงไปใต้ชั้นเนื้อโลก โดยมีการจัดเรียงอะตอมแบบลูกบาศก์ ต่างจากเพชรหกเหลี่ยมที่จัดเรียงอะตอมคาร์บอนเป็นโครงผลึกคล้ายรังผึ้ง โครงสร้างนี้ทำให้พันธะระหว่างชั้นสั้นและแข็งแรงขึ้น จึงอาจมีความแข็งและเสถียรภาพทางความร้อนเหนือกว่าเพชรแบบดั้งเดิมที่ใช้ในเครื่องมือตัด อุปกรณ์เจาะ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง
การสังเคราะห์ครั้งนี้มีความหมายมากกว่าการทดลองที่น่าสนใจในห้องปฏิบัติการ ตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมา การไม่สามารถสร้างเพชรหกเหลี่ยมบริสุทธิ์ในปริมาณที่เพียงพอต่อการทดสอบ ทำให้คุณสมบัติที่คาดการณ์ไว้ยังคงเป็นเพียงทฤษฎี ความพยายามก่อนหน้านี้สร้างได้เพียงผลึกขนาดนาโนที่คงอยู่แค่ไม่กี่นาโนวินาที หรือได้ส่วนผสมที่ปนเปื้อนกราไฟต์และเพชรลูกบาศก์จนไม่อาจระบุคุณสมบัติได้อย่างชัดเจน การผลิตผลึกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 100 ไมโครเมตรถึง 1.8 มิลลิเมตร ทำให้ทีมจีนเปิดโอกาสให้มีการทดสอบเชิงกลอย่างครอบคลุมกับวัสดุที่เข้าใจยากชนิดนี้เป็นครั้งแรก
ข้อถกเถียงทางวิทยาศาสตร์ยาวนาน 60 ปี
เรื่องราวของเพชรหกเหลี่ยมเริ่มขึ้นในปี 1962 เมื่อนักวิจัยจากศูนย์วิจัยถ่านหินพิตส์เบิร์กเสนอเป็นครั้งแรกว่าอะตอมคาร์บอนอาจจัดเรียงตัวเป็นโครงผลึกหกเหลี่ยม แทนที่จะเป็นโครงสร้างลูกบาศก์ที่คุ้นเคย รูปแบบตามทฤษฎีนี้อาจมีความแข็งเพิ่มขึ้นจากการจัดเรียงพันธะที่เป็นเอกลักษณ์ แต่การพิสูจน์ว่ามีอยู่จริงต้องใช้เวลาอีกห้าปี และต้องอาศัยการค้นพบจากนอกโลก
ในปี 1967 นักธรณีวิทยาที่ตรวจสอบชิ้นส่วนอุกกาบาตแคนยอนดิอาโบลจากปล่องบาร์ริงเจอร์ในรัฐแอริโซนา ประกาศการค้นพบแร่ชนิดใหม่ โดยตั้งชื่อว่า ลอนส์เดไลต์ เพื่อเป็นเกียรติแก่เดมแคธลีน ลอนส์เดล นักผลึกศาสตร์ผู้บุกเบิกซึ่งเป็นผู้ระบุโครงสร้างของเบนซีน เพชรหกเหลี่ยมเหล่านี้ดูเหมือนจะก่อตัวขึ้นจากความร้อนและความดันมหาศาลที่เกิดขึ้นเมื่ออุกกาบาตพุ่งชนโลกเมื่อราว 50,000 ปีก่อน ต่อมาพบสารตกค้างลักษณะคล้ายกันในอุกกาบาตโกลพาราในรัฐอัสสัม ประเทศอินเดีย
อย่างไรก็ตาม การเฉลิมฉลองเกิดขึ้นก่อนเวลาอันควร นักวิจารณ์แย้งว่าตัวอย่างเหล่านี้ไม่ใช่เพชรหกเหลี่ยมที่แท้จริง แต่เป็นเพชรลูกบาศก์ที่มีความผิดพลาดในการเรียงชั้นหรือข้อบกพร่องแบบไม่เป็นระเบียบ ซึ่งเพียงทำให้ดูคล้ายมีสมมาตรแบบหกเหลี่ยม ในปี 2021 นักวิจัยเผยแพร่ผลการศึกษาที่ชี้ว่าตัวอย่างลอนส์เดไลต์ทั้งหมดที่เคยระบุได้นั้น แท้จริงแล้วเป็นเพชรลูกบาศก์รูปแบบต่าง ๆ ที่จำแนกผิด ความสงสัยนี้ยังคงอยู่เพราะไม่เคยมีห้องปฏิบัติการใดผลิตเพชรหกเหลี่ยมบริสุทธิ์ในปริมาณมากพอที่จะยุติข้อถกเถียงได้อย่างเด็ดขาด
การพัฒนาวิธีสังเคราะห์
ความสำเร็จของทีมจีนขึ้นอยู่กับการพัฒนาเทคนิคความดันสูงและอุณหภูมิสูงแบบใหม่ ซึ่งจัดการกับความไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ของเพชรหกเหลี่ยม แม้เพชรลูกบาศก์ยังคงเป็นรูปแบบที่เสถียรที่สุดของคาร์บอนที่มีพันธะ sp3 ภายใต้ความดันสูงถึง 2 เทระปาสกาล แต่นักวิจัยตระหนักว่าการก่อตัวของเพชรหกเหลี่ยมต้องควบคุมด้วยปัจจัยด้านจลนพลศาสตร์ ผ่านการปรับสัณฐานของสารตั้งต้นและสภาวะการสังเคราะห์อย่างรอบคอบ
นักวิจัยใช้กราไฟต์ไพโรไลติกที่มีการจัดแนวสูง ซึ่งเป็นวัสดุคาร์บอนสังเคราะห์ที่มีชั้นอะตอมเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ และพัฒนาชุดอุปกรณ์เฉพาะที่ผสานเครื่องอัดแบบลูกสูบ-กระบอกสูบซึ่งใช้อลูมิเนียมออกไซด์ความหนาแน่นสูงและความแข็งแรงสูง เข้ากับเครื่องอัดหลายแกน การจัดวางนี้ทำให้สามารถอัดกราไฟต์ตามแนวแกน z เป็นหลัก ซึ่งตั้งฉากกับแผ่นคาร์บอน แทนการอัดจากด้านข้าง
ตัวอย่างถูกอัดที่ความดัน 20 กิกะปาสกาล หรือประมาณ 200,000 เท่าของความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเล เป็นเวลา 10 ชั่วโมง โดยใช้อุณหภูมิตั้งแต่ 2,300 ถึง 3,450 องศาฟาเรนไฮต์ (1,300 ถึง 1,900 องศาเซลเซียส) นักวิทยาศาสตร์ติดตามกระบวนการแบบเรียลไทม์ด้วยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ ณ จุดเกิดปฏิกิริยา ทำให้สังเกตการเปลี่ยนแปลงในระดับจุลภาคได้ และยืนยันการเปลี่ยนเฟสแบบมาร์เทนซิติก ซึ่งกราไฟต์หกเหลี่ยมเปลี่ยนเป็นเพชรหกเหลี่ยมผ่านการเลื่อนตัวระหว่างชั้นและการสร้างพันธะโดยตรงระหว่างแผ่นกราไฟต์
การวัดสมรรถนะที่เหนือกว่า
เมื่อมีตัวอย่างขนาดมิลลิเมตรให้ทดสอบในที่สุด ทีมวิจัยจึงสามารถทดสอบคุณสมบัติเชิงกลได้อย่างชัดเจน โดยใช้การทดสอบความแข็งวิกเกอร์สและหัววัดชนิดอื่นเพื่อวัดความทนทานต่อรอยขีดข่วนและการเปลี่ยนรูป ผลการทดสอบพบว่าเพชรหกเหลี่ยมมีค่าความแข็งตั้งแต่ 114 ถึง 165 กิกะปาสกาล เทียบกับเพชรลูกบาศก์ธรรมชาติที่มีค่าประมาณ 110 กิกะปาสกาล นับเป็นความแข็งที่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ แม้จะยังต่ำกว่าค่าที่คาดการณ์ไว้ในช่วงแรกว่าจะเพิ่มขึ้น 50% อยู่บ้าง
นอกจากความแข็งแล้ว วัสดุนี้ยังมีเสถียรภาพทางความร้อนโดดเด่น โดยทนต่อการออกซิเดชันได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 1,100 องศาเซลเซียส คุณสมบัตินี้ช่วยแก้ข้อจำกัดสำคัญของเพชรลูกบาศก์ ซึ่งอาจเกิดตำหนิบนพื้นผิวเมื่อสัมผัสออกซิเจนที่อุณหภูมิสูงระหว่างการเจาะหรือตัดในภาคอุตสาหกรรม ความแข็งแกร่งของโครงสร้างหกเหลี่ยมและความทนทานต่อการออกซิเดชันบ่งชี้ว่าอาจนำไปใช้ในสภาพแวดล้อมสุดขั้วที่เพชรแบบดั้งเดิมไม่สามารถทนได้
การวิเคราะห์โครงสร้างด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูงยืนยันการเรียงชั้นแบบ AB ของชั้นโครงสร้างคล้ายรังผึ้งที่บิดงอ ซึ่งบ่งชี้ถึงเพชรหกเหลี่ยม การวิเคราะห์ด้วยสเปกโทรสโกปีพบว่าพันธะทั้งหมดเป็นพันธะซิกมาชนิด sp3 และไม่มีพันธะไพชนิด sp2 ซึ่งหากพบจะบ่งชี้ว่ามีกราไฟต์ปนเปื้อน ที่สำคัญ พันธะหนึ่งระหว่างชั้นสั้นกว่าพันธะอีกสามพันธะ ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมโครงสร้างจึงแข็งแรงกว่าเพชรลูกบาศก์
การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมและวิทยาศาสตร์
การสร้างเพชรหกเหลี่ยมในปริมาณมากเปิดทางสู่การใช้งานที่ก่อนหน้านี้ถูกจำกัดด้วยขีดความสามารถของเพชรลูกบาศก์ ฉงซิน ซาน ผู้เขียนร่วมหลักของงานวิจัยและนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเจิ้งโจว ระบุสาขาที่มีแนวโน้มหลายด้าน
มีศักยภาพที่จะนำไปใช้ในหลายสาขา เช่น เครื่องมือตัด วัสดุจัดการความร้อน และการตรวจวัดควอนตัม
ซานกล่าวกับ Nature
ภาคการบินและอวกาศกับภาคกลาโหมมีแนวโน้มได้รับประโยชน์เป็นพิเศษ ความแข็งและเสถียรภาพทางความร้อนที่เหนือกว่าของเพชรหกเหลี่ยมทำให้เหมาะกับงานขึ้นรูปและงานเจาะที่ต้องการความแม่นยำและความทนทานสูงมาก ต่างจากเพชรธรรมชาติที่มีข้อจำกัดจากการทำเหมืองและประเด็นด้านจริยธรรม เพชรหกเหลี่ยมที่ปลูกในห้องปฏิบัติการอาจเป็นทางเลือกที่ยั่งยืนและมีสมรรถนะสูงกว่า
ในทางธรณีวิทยา การสังเคราะห์นี้ให้ข้อมูลเชิงลึกสำคัญเกี่ยวกับกระบวนการอุกกาบาตพุ่งชน การทำความเข้าใจว่าเพชรหกเหลี่ยมก่อตัวขึ้นภายใต้ความดันและอุณหภูมิสุดขั้วได้อย่างไร ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ระบุเหตุการณ์การพุ่งชนและสร้างประวัติศาสตร์การก่อตัวของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะขึ้นใหม่ การพบลอนส์เดไลต์ในอุกกาบาตอย่างแคนยอนดิอาโบลจึงอธิบายได้ว่าเป็นผลจากสภาวะการแปรสภาพด้วยแรงกระแทกเฉพาะแบบ ซึ่งทีมจีนจำลองขึ้นได้สำเร็จ
การยืนยันจากวงการวิทยาศาสตร์ทั่วโลก
งานวิจัยนี้ได้รับความสนใจอย่างมากจากประชาคมวิทยาศาสตร์นานาชาติ โอลิเวอร์ ชาวเนอร์ นักผลึกศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเนวาดา ลาสเวกัส ซึ่งเป็นผู้ประเมินงานวิจัยนี้ให้วารสาร Nature ให้การรับรองผลการค้นพบอย่างหนักแน่น
มีผู้กล่าวอ้างหลายร้อยครั้งจากคนที่เชื่อว่าตนเองเคยพบมัน แต่นี่เป็นครั้งแรกที่มีการจำแนกคุณสมบัติของวัสดุที่เข้าใจยากชนิดนี้อย่างแม่นยำมาก
ชาวเนอร์กล่าว
เออิจิ นากามูระ นักเคมีอนินทรีย์จากมหาวิทยาลัยโตเกียว ซึ่งเคยศึกษารูปแบบต่าง ๆ ของคาร์บอนมาก่อน เน้นย้ำถึงความสำคัญของวิธีการวิจัย
วิธีการสองขั้นตอนแบบใหม่นี้ให้หลักฐานยืนยันที่ชัดเจนเป็นครั้งแรกว่าเพชรหกเหลี่ยมเป็นวัสดุเนื้อแน่นที่แตกต่างออกไปและสามารถกู้คืนได้
นากามูระกล่าว
โฮกวาง เหมา ผู้เชี่ยวชาญด้านวิทยาศาสตร์ความดันสูงและสมาชิกต่างชาติของสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน กล่าวถึงนัยสำคัญในวงกว้างต่อวิทยาศาสตร์วัสดุ
คาดว่าเพชรหกเหลี่ยมสังเคราะห์นี้จะเปิดแนวทางใหม่สำหรับการพัฒนาวัสดุแข็งพิเศษและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับสูง
เหมาบอกกับ South China Morning Post
แม้จะมีความตื่นตัว แต่นักวิจัยยอมรับว่ายังมีความท้าทายก่อนนำไปใช้เชิงพาณิชย์ อุปกรณ์ความดันสูงเฉพาะทางที่จำเป็นต่อการสังเคราะห์จำกัดกำลังการผลิตในปัจจุบัน ดังนั้นการใช้งานในระยะแรกจึงน่าจะมุ่งเน้นตลาดเฉพาะกลุ่มที่มีมูลค่าสูง เช่น เครื่องมือวิทยาศาสตร์ความแม่นยำสูงและเครื่องมือตัดเฉพาะทางสำหรับอุตสาหกรรม มากกว่าเครื่องประดับสำหรับตลาดมวลชน
ประเด็นสำคัญ
- นักวิทยาศาสตร์จีนสังเคราะห์เพชรหกเหลี่ยมบริสุทธิ์ (ลอนส์เดไลต์) ขนาดระดับมิลลิเมตรได้เป็นครั้งแรก ยุติข้อถกเถียงทางวิทยาศาสตร์ที่ยาวนาน 60 ปีว่าเพชรชนิดนี้มีอยู่จริงในฐานะวัสดุที่แตกต่างออกไปหรือไม่
- วัสดุนี้มีค่าความแข็งตั้งแต่ 114 ถึง 165 กิกะปาสกาล สูงกว่าเพชรลูกบาศก์ธรรมชาติซึ่งมีค่าประมาณ 110 กิกะปาสกาล อีกทั้งมีเสถียรภาพทางความร้อนเหนือกว่าที่อุณหภูมิสูงถึง 1,100 องศาเซลเซียส
- นักวิจัยอัดกราไฟต์ไพโรไลติกที่มีการจัดแนวสูงด้วยความดัน 20 กิกะปาสกาล (200,000 เท่าของความดันบรรยากาศ) และอุณหภูมิ 1,300 ถึง 1,900 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 10 ชั่วโมง จนเกิดการเปลี่ยนรูป
- การใช้งานที่อาจเกิดขึ้น ได้แก่ เครื่องมือตัดขั้นสูง ระบบจัดการความร้อนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ตรวจวัดควอนตัม และชิ้นส่วนการบินและอวกาศที่ต้องทนทานเป็นพิเศษ
- ความก้าวหน้าครั้งนี้คลายข้อสงสัยที่มีมายาวนานว่าเพชรหกเหลี่ยมเป็นเฟสคาร์บอนที่แยกต่างหากจริงหรือเป็นเพียงโครงสร้างเพชรลูกบาศก์ที่มีตำหนิ
