นักวิทยาศาสตร์จีนแก้โจทย์ “สามเหลี่ยมที่เป็นไปไม่ได้” ด้วยแผ่นทองแดงสมรรถนะสูง

ไขปัญหา “สามเหลี่ยมที่เป็นไปไม่ได้” ในวัสดุศาสตร์

นักวิทยาศาสตร์จีนสร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญในสาขาวัสดุศาสตร์ ด้วยการพัฒนาแผ่นทองแดงแบบใหม่ที่ก้าวข้ามข้อจำกัดทางกายภาพตามแนวคิดเดิม นักวิจัยจากสถาบันวิจัยโลหะ (IMR) สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน ซึ่งนำโดยหลู่ เหล่ย ประสบความสำเร็จในการสร้างแผ่นทองแดงสมรรถนะสูงที่มีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ นำไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม และมีเสถียรภาพทางความร้อนโดดเด่นพร้อมกัน ผลงานนี้ซึ่งเผยแพร่ในวารสาร Science อันทรงเกียรติ แก้ปัญหาการต้องแลกคุณสมบัติสำคัญทั้งสามประการที่มีมานาน และไขสิ่งที่นักวัสดุศาสตร์เรียกกันมานานว่า “สามเหลี่ยมที่เป็นไปไม่ได้” ในการออกแบบวัสดุโลหะ

วัสดุใหม่นี้เป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญของขีดความสามารถด้านการผลิตขั้นสูง และส่งผลโดยตรงต่ออุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และพลังงานใหม่ การแก้ความขัดแย้งโดยธรรมชาติระหว่างความแข็งแรงกับการนำไฟฟ้า ซึ่งเป็นปัญหาของวิศวกรมาหลายทศวรรษ ทำให้แผ่นทองแดงสมรรถนะสูงนี้เปิดทางใหม่สู่การพัฒนาชิปสมาร์ตโฟนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น อุปกรณ์ประมวลผลปัญญาประดิษฐ์ที่ดียิ่งขึ้น และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าที่ปลอดภัยกว่า

ถอดรหัสโครงสร้างนาโนโดเมนแบบไล่ระดับ

หัวใจของความก้าวหน้าครั้งนี้คือการออกแบบโครงสร้างจุลภาคแบบใหม่ที่เรียกว่า “สถาปัตยกรรมโดเมนนาโนแบบไล่ระดับ” ที่ผ่านมา แผ่นทองแดงแบบดั้งเดิมทำให้ผู้ผลิตต้องเลือกระหว่างคุณสมบัติที่ต้องการ ทองแดงบริสุทธิ์นำไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม แต่ไม่แข็งแรงพอสำหรับการใช้งานสมรรถนะสูง ส่วนโลหะผสมทองแดงมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นจากการเติมธาตุอื่น แต่ต้องแลกกับการนำไฟฟ้าและเสถียรภาพทางความร้อนที่ลดลงอย่างมาก

ทีมวิจัยหลีกเลี่ยงข้อจำกัดเหล่านี้ด้วยกระบวนการผลิตที่ซับซ้อน โดยใช้วิธีการสะสมด้วยไฟฟ้าที่สามารถขยายกำลังการผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้ ผลิตแผ่นทองแดงหนาเพียง 10 ไมโครเมตร (ประมาณหนึ่งในเจ็ดของความหนาเส้นผมมนุษย์) ซึ่งมีโดเมนซูเปอร์นาโนความหนาแน่นสูง โดเมนเหล่านี้มีขนาดประมาณ 3 นาโนเมตร และกระจายตัวเป็นระยะทั่วทั้งวัสดุตามรูปแบบไล่ระดับ

โดเมนทองแดงขนาดจิ๋วเหล่านี้ทำหน้าที่คล้ายหมุดย้ำที่ฝังอยู่ในเนื้อโลหะ ช่วยขัดขวางการเคลื่อนที่ของเกรนทองแดง จึงเพิ่มทั้งความแข็งแรงและเสถียรภาพทางความร้อน ขณะยังคงความบริสุทธิ์สูงซึ่งจำเป็นต่อการนำไฟฟ้า กลไกการเสริมความแข็งแรงและการทำให้เสถียรควบคู่กันนี้ช่วยให้วัสดุคงการนำไฟฟ้าไว้ได้ราว 90 เปอร์เซ็นต์ของทองแดงบริสุทธิ์ พร้อมมีคุณสมบัติทางกลเหนือกว่าวัสดุทั่วไปอย่างมาก

โดเมนทองแดงขนาดจิ๋วเหล่านี้ทำหน้าที่เหมือนหมุดย้ำที่ฝังอยู่ในเนื้อทองแดง ช่วยขัดขวางการเคลื่อนที่ของเกรนทองแดง จึงเพิ่มความแข็งแรงและเสถียรภาพทางความร้อน พร้อมคงความบริสุทธิ์ของทองแดงไว้ในระดับสูง

สมรรถนะที่ยกระดับมาตรฐานอุตสาหกรรม

เมื่อเทียบกับวัสดุอุตสาหกรรมที่มีอยู่ แผ่นทองแดงใหม่นี้มีสมรรถนะเชิงปริมาณดีขึ้นอย่างมาก โดยทั่วไปแผ่นทองแดงแบบดั้งเดิมมีความต้านทานแรงดึงอยู่ที่ 300 ถึง 600 เมกะปาสคาล (MPa) ส่วนแผ่นทองแดงสมรรถนะสูงที่พัฒนาขึ้นใหม่นี้มีความต้านทานแรงดึงสูงสุด 900 เมกะปาสคาล หรือราวสองเท่าของผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ทั่วไป และสูงกว่าโลหะผสมทองแดงแบบดั้งเดิมอย่างมีนัยสำคัญ

ด้านสมรรถนะทางไฟฟ้า วัสดุนี้คงการนำไฟฟ้าไว้ได้เทียบเท่ากับทองแดงความบริสุทธิ์สูง 90 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับโลหะผสมทองแดงแบบดั้งเดิมที่มีระดับความแข็งแรงใกล้เคียงกัน แผ่นทองแดงใหม่นี้นำไฟฟ้าได้สูงกว่าประมาณสองถึงสามเท่า ก่อนหน้านี้ การผสานความแข็งแรงและการนำไฟฟ้าระดับนี้ถือเป็นสิ่งที่วิศวกรรมวัสดุทำไม่ได้

ที่น่าประทับใจเป็นพิเศษคือ วัสดุนี้มีเสถียรภาพทางความร้อนสูง แม้ว่าวัสดุนาโนที่มีความแข็งแรงสูงหลายชนิดมักเสื่อมสมรรถนะอย่างรวดเร็วจากความไม่เสถียรของโครงสร้าง แต่แผ่นทองแดงนี้ไม่พบการเสื่อมสภาพหลังเก็บไว้เป็นเวลาหกเดือนในสภาวะปกติ ความทนทานนี้สำคัญอย่างยิ่งต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และระบบกักเก็บพลังงานที่ต้องรักษาสมรรถนะให้ต่อเนื่องตลอดอายุการใช้งานที่ยาวนาน

พลิกโฉมการใช้งานในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และระบบกักเก็บพลังงาน

ความก้าวหน้าด้านวัสดุนี้ส่งผลในทางปฏิบัติต่ออุตสาหกรรมมูลค่าสูงหลายภาคส่วน ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง แผ่นทองแดงเป็นองค์ประกอบสำคัญของวงจรรวมและจุดเชื่อมต่อระหว่างชิป ความแข็งแรงและเสถียรภาพทางความร้อนที่เพิ่มขึ้นของวัสดุใหม่นี้ช่วยให้ผลิตชิปสมาร์ตโฟนได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น พร้อมลดความร้อนสะสมระหว่างใช้งานต่อเนื่อง ซึ่งช่วยแก้ปัญหาเรื้อรังของอุปกรณ์เคลื่อนที่และอุปกรณ์ประมวลผลปัญญาประดิษฐ์

สำหรับภาคพลังงานใหม่ วัสดุนี้มีแนวโน้มเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แผ่นทองแดงทำหน้าที่เป็นตัวรวบรวมกระแสไฟฟ้าในแบตเตอรี่ และคุณสมบัติของวัสดุใหม่นี้อาจช่วยให้ผลิตแบตเตอรี่ที่บางลงและปลอดภัยขึ้น พร้อมลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการชาร์จด้วยกระแสไฟสูง เทคโนโลยีนี้สนับสนุนการพัฒนารถยนต์ไฟฟ้าและระบบกักเก็บพลังงานระดับโครงข่ายไฟฟ้า ซึ่งให้ความสำคัญอย่างยิ่งกับประสิทธิภาพและความปลอดภัย

งานวิจัยนี้เปิดแนวทางเทคโนโลยีใหม่สำหรับการผลิตแผ่นทองแดงระดับสูง ช่วยส่งเสริมการพึ่งพาตนเองและเพิ่มการควบคุมภายในอุตสาหกรรมสารสนเทศอิเล็กทรอนิกส์และพลังงานใหม่ของจีน เนื่องจากอุตสาหกรรมเหล่านี้เป็นเป้าหมายเชิงยุทธศาสตร์ของการผลิตภาคอุตสาหกรรมขั้นสูง การผลิตวัสดุระดับโลกได้ภายในประเทศจึงมีความสำคัญอย่างมากทั้งในด้านเศรษฐกิจและความมั่นคงของห่วงโซ่อุปทาน

การขยายกำลังผลิตและความเป็นไปได้ในการผลิต

ต่างจากความก้าวหน้าในห้องปฏิบัติการหลายอย่างที่ยังจำกัดอยู่ในแวดวงวิจัย เทคโนโลยีแผ่นทองแดงนี้แสดงให้เห็นว่าสามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมได้ทันที กระบวนการผลิตใช้การสะสมด้วยไฟฟ้า ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายอยู่แล้วในการผลิตแผ่นทองแดงเชิงพาณิชย์ จึงสามารถผสานนวัตกรรมนี้เข้ากับโครงสร้างพื้นฐานการผลิตเดิมได้ โดยไม่ต้องสร้างโรงงานใหม่ทั้งหมด

กระบวนการนี้เติมสารอินทรีย์ปริมาณเล็กน้อยระหว่างการสะสมด้วยไฟฟ้า เพื่อสร้างโดเมนซูเปอร์นาโนแบบไล่ระดับ วิธีนี้เอื้อต่อการผลิตต่อเนื่องภายใต้สภาวะอุตสาหกรรมมาตรฐาน จึงมีแนวโน้มว่าจะขยายจากการสาธิตในห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตจำนวนมากได้อย่างรวดเร็ว ความหนา 10 ไมโครเมตรของแผ่นทองแดงเป็นไปตามข้อกำหนดอุตสาหกรรมในปัจจุบันสำหรับทั้งงานอิเล็กทรอนิกส์และแบตเตอรี่ จึงไม่จำเป็นต้องมีกระบวนการเพิ่มเติมหรือปรับเปลี่ยนวัสดุ

มาร์ก เอส. ลาวีน บรรณาธิการของวารสารที่เผยแพร่งานวิจัย ระบุว่าเทคโนโลยีนี้มีศักยภาพอย่างมากในการผลิตแผ่นฟอยล์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและวงจรรวม ความสามารถในการผลิตวัสดุอย่างต่อเนื่องภายใต้สภาวะอุตสาหกรรมเป็นข้อได้เปรียบสำคัญต่อการนำไปใช้เชิงพาณิชย์ ช่วยลดเวลาและเงินลงทุนที่โดยทั่วไปต้องใช้ในการต่อยอดจากการค้นพบทางวิจัยไปสู่ผลิตภัณฑ์ที่พร้อมออกสู่ตลาด

ความสำคัญเชิงยุทธศาสตร์ต่อห่วงโซ่อุปทานโลก

การพัฒนานี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาสำคัญของห่วงโซ่อุปทานเทคโนโลยีโลก โดยเฉพาะเมื่อหลายประเทศให้ความสำคัญกับการสร้างขีดความสามารถภายในประเทศด้านการผลิตเซมิคอนดักเตอร์และพลังงานสะอาด แผ่นทองแดงเป็นวัตถุดิบพื้นฐานของสองอุตสาหกรรมที่มีความสำคัญเชิงยุทธศาสตร์สูงสุด ได้แก่ ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูงและแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า การพัฒนาเทคโนโลยีแผ่นทองแดงชั้นนำระดับนานาชาติของจีนช่วยเสริมสถานะของประเทศในห่วงโซ่อุปทานเหล่านี้ พร้อมลดการพึ่งพาวัสดุสมรรถนะสูงจากต่างประเทศ

ทีมวิจัยระบุว่า เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงนำเสนอแนวทางการออกแบบแผ่นทองแดงสมรรถนะสูงแบบใหม่ แต่ยังแสดงให้เห็นศักยภาพที่กว้างกว่าของการวิศวกรรมโครงสร้างจุลภาคระดับนาโนในการพัฒนาวัสดุยุคหน้า วิธีการนี้อาจนำไปประยุกต์ใช้กับระบบโลหะชนิดอื่นที่เผชิญข้อแลกเปลี่ยนระหว่างความแข็งแรงกับคุณสมบัติการใช้งานในลักษณะเดียวกันได้

ความก้าวหน้านี้สอดคล้องกับเป้าหมายระดับชาติในวงกว้าง ทั้งการพึ่งพาตนเองทางเทคโนโลยีและการยกระดับขีดความสามารถด้านการผลิตขั้นสูง การแก้โจทย์พื้นฐานทางวัสดุศาสตร์ที่เป็นข้อจำกัดต่อการพัฒนาผลิตภัณฑ์ด้านฮาร์ดแวร์ปัญญาประดิษฐ์และระบบพลังงานใหม่ ช่วยให้อุตสาหกรรมจีนมีความได้เปรียบในการแข่งขันในภาคส่วนที่กำลังเติบโตอย่างรวดเร็วทั่วโลก

ประเด็นสำคัญ

• นักวิจัยจีนที่นำโดยหลู่ เหล่ย จากสถาบันวิจัยโลหะ พัฒนาแผ่นทองแดงที่แก้โจทย์ “สามเหลี่ยมที่เป็นไปไม่ได้” ระหว่างความแข็งแรง การนำไฟฟ้า และเสถียรภาพทางความร้อน
• วัสดุหนา 10 ไมโครเมตรนี้มีสถาปัตยกรรมโดเมนนาโนแบบไล่ระดับ โดยโดเมนซูเปอร์นาโนขนาด 3 นาโนเมตรทำหน้าที่คล้ายหมุดย้ำภายใน ช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางกลโดยไม่ลดทอนสมรรถนะทางไฟฟ้า
• สมรรถนะประกอบด้วยความต้านทานแรงดึง 900 เมกะปาสคาล (เป็นสองเท่าของแผ่นทองแดงทั่วไป) การนำไฟฟ้าเทียบเท่าทองแดงบริสุทธิ์ 90% (สูงกว่าโลหะผสมที่เทียบเคียงกันถึงสามเท่า) และไม่เสื่อมสภาพหลังหกเดือน
• กระบวนการผลิตใช้การสะสมด้วยไฟฟ้าที่ขยายกำลังการผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้ โดยเติมสารอินทรีย์ จึงพร้อมผลิตเชิงพาณิชย์สำหรับวงจรรวมและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
• การใช้งานรวมถึงชิปสมาร์ตโฟนขั้นสูง อุปกรณ์ประมวลผล AI และแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าที่ปลอดภัยขึ้น ลดความร้อนสะสม และชาร์จได้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น
• ความก้าวหน้านี้ช่วยเสริมขีดความสามารถของจีนในภาคส่วนยุทธศาสตร์ ทั้งเซมิคอนดักเตอร์และการผลิตพลังงานสะอาด พร้อมแสดงแนวทางใหม่ในการวิศวกรรมวัสดุระดับนาโน