การพัฒนาวัสดุที่แข็งเท่ากับเพชรสำเร็จ

เพชร ยังคงเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดในโลก ถือเป็นผู้นำในด้านเครื่องมือสำหรับงานที่ยากที่สุด ตั้งแต่ใบเลื่อยไปจนถึงชิ้นส่วนยานอวกาศ

นับตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1980 เป็นต้นมา นักวิทยาศาสตร์ ได้พยายามค้นหาวิธีทดแทนการทำเหมืองเพชร ซึ่งมักเกี่ยวข้องกับการใช้แรงงานโดยมิชอบและความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อม ด้วยวัสดุที่เรียกว่าคาร์บอนไนไตรด์

วัสดุใหม่จากคาร์บอนไนไตรด์มีความแข็งใกล้เคียงกับเพชร มีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในหลากหลายสาขา

คาร์บอนไนไตรด์ ซึ่งเกิดจากคาร์บอนและไนโตรเจน ในทางทฤษฎีแล้วสามารถเทียบชั้นกับความแข็งของเพชรได้ แต่การแก้ปัญหาในระดับอุตสาหกรรมนั้นไม่สามารถทำได้ในระยะยาว

สามทศวรรษต่อมา ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติจากมหาวิทยาลัยเอดินบะระ มหาวิทยาลัยไบรอยท์ และมหาวิทยาลัยลินโชปิง ในที่สุดก็ประสบความสำเร็จในการก้าวหน้าครั้งสำคัญในการผลิตวัสดุที่มีความแข็งเป็นพิเศษนี้ โดยพื้นฐานแล้ว นักวิทยาศาสตร์จะต้องสร้างสภาวะตามธรรมชาติของธาตุต่างๆ ที่มีอยู่ ณ ศูนย์กลางของโลกขึ้นมาใหม่

เพื่อดำเนินการดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์ได้บีบอัดคาร์บอนและไนโตรเจนด้วยความดันบรรยากาศ 700,000 เท่า ในเวลาเดียวกัน พวกเขาใช้เลเซอร์ให้ความร้อนวัสดุจนถึงอุณหภูมิ 2,732 องศาฟาเรนไฮต์ (1,500 องศาเซลเซียส) จากนั้นตรวจสอบตัวอย่างด้วยลำแสงเอกซเรย์ความเข้มสูงที่เครื่องเร่งอนุภาคสามเครื่อง (ตั้งอยู่ในฝรั่งเศส เยอรมนี และสหรัฐอเมริกา ตามลำดับ)

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Materials ในเดือนตุลาคม 2023 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบสารประกอบคาร์บอนไนไตรด์สามชนิดซึ่งมีความแข็งสูงมาก และยังคงคุณสมบัติเหมือนเพชรเมื่อกลับสู่อุณหภูมิแวดล้อมและสภาวะความกดดัน

“จากการ ค้นพบ วัสดุคาร์บอนไนไตรด์ชนิดใหม่ เรากำลังเริ่มคิดที่จะสร้างวัสดุที่นักวิจัยใฝ่ฝันมานานสามทศวรรษ” Dominique Laniel ผู้เขียนร่วมผลการศึกษาจากมหาวิทยาลัยเอดินบะระกล่าว “วัสดุเหล่านี้ทำให้การสังเคราะห์วัสดุแรงดันสูงและการใช้งานทางอุตสาหกรรมใกล้ชิดกันมากขึ้น”

การวิจัยเพิ่มเติมยังแสดงให้เห็นอีกว่าวัสดุใหม่ประกอบด้วยคุณสมบัติเพิ่มเติม เช่น ความสามารถในการเปล่งแสงและกักเก็บพลังงานความหนาแน่นสูงในปริมาตรเล็กน้อย

คาร์บอนไนไตรด์ไม่สามารถทดแทนเพชรธรรมชาติได้อย่างสมบูรณ์ เพชรมีความแข็งประมาณ 90 กิกะปาสกาล (GPa) ในขณะที่ไนไตรด์ลูกบาศก์โบรอนจะมีความแข็งเพียง 50 ถึง 55 GPa เท่านั้น สารประกอบคาร์บอนไนไตรด์ใหม่ที่มีค่าประมาณ 78 และ 86 Gpa ขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลึก ความแตกต่างของตัวเลขอาจจะไม่มาก แต่ก็ไม่เพียงพอที่จะครองตำแหน่งอันดับหนึ่งของเพชร

ตัวอย่างวัสดุใหม่ที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้นมีขนาดเพียง 5x3 ไมโครเมตรเท่านั้น และในการที่จะสร้างตัวอย่างที่มีขนาดใหญ่ขึ้น จำเป็นต้องใช้เพชรขนาดใหญ่ขึ้น และต้องใช้แรงกดที่มากขึ้น ซึ่งทำให้คาร์บอนไนไตรด์ชนิดแข็งพิเศษชนิดใหม่มีราคาแพงมาก

อย่างไรก็ตาม การลดต้นทุนจะเป็นเป้าหมาย เนื่องจากวัสดุนี้มีข้อได้เปรียบเหนือเพชรทั่วไปตรงที่สามารถสร้างสัญญาณไฟฟ้าได้ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่มีประโยชน์เมื่อใช้ในเซ็นเซอร์

เวียด (ที่มา: PopMech)

แหล่งที่มา