Thursday, 22 April 2021

10 วัสดุประหลาดในโลกวิทยาศาสตร์

19 Feb 2020
474

กราฟีน graphene

ภาพ Public Domain

กราฟีน เป็นวัสดุสองมิติมีด้านกว้าง และยาว คุณสมบัติิของวัสดุนี้คือ นำไฟฟ้า และนำความร้อนได้สูงมาก ปัจจุบันกราฟีนสามารถผลิตได้ถึง 8 นิ้ว ด้วยสมบัติเหนือวัสดุอื่นๆ

เราอาจใช้กราฟีนเพื่อศึกษาอนุภาคทฤษฎีอย่าง Weyl Fermion หรือสร้างวัสดุประหลาดเช่น Topological Insulator โดยมีประโยชน์ในการประดิษฐ์ High Temperature Superconductor หรือ Quantum Computer ต่อไป

ฉนวนทอพอโลยี Topological Insulator

ภาพ CC-BY-SA 3.0


ฉนวนทอพอโลยี เป็นวัสดุแบบทอพอโลยี มันมีคุณสมบัติประหลาดในการนำไฟฟ้า เมื่อนำฉนวนทอพอโลยีผ่านไฟฟ้า ไฟฟ้าจะวิ่งผ่านขอบของฉนวนทอพอโลยีเท่านั้น โดยบริเวณตรงกลางของฉนวนจะคงความเป็นฉนวนที่ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลอ่านเลย

ไฟฟ้าที่ผ่านบริเวณชอบของฉนวนทอพอโลยีมีการไหลผ่านแบบไม่สูญเสียพลังงานเช่นเดียวกับที่ไฟฟ้าไหลผ่าน Superconductor

คาร์บอนนาโนทิวบ์ Carbon Nanotube

ภาพ CC-BY-SA 4.0

คาร์บอนนาโนทิวบ์ คืออัญรูปอีกแบบหนึ่งของคาร์บอน วัสดุนี้ได้รับการกล่าวถึงนับจาก Ijima นักฟิสิกส์สังเกตการเกิดขึ้นบนขั้วอาร์คไฟฟ้าในห้องแลปของเขาในปี 1991

ในความเป็นจริงแล้ว ธาตุอื่นนอกเหนือจากคาร์บอนสามารถเกิดรูปแบบ Nanotube ได้เช่นเดียวกับคาร์บอน แต่คาร์บอนเป็นธษตุที่หาได้ง่ายกว่าธาตุอื่นๆ

คาร์บอนนาโนทิวบ์ มีสมบัติที่ดีเช่นการนำไฟฟ้า ความร้อนและอื่นๆ เช่นการปฏิสัมพันธ์กับ Photon ความหวังของการผลิตคาร์บอนนาโนทิวบ์อาจช่วยให้เราผลิตลิฟท์อวกาศ เครื่องผลิตไฟฟ้าจากการหายใจหรือการขับเคลื่อนจรวดด้วยไฟฟ้า

Superalloy

ภาพ CC-BY-SA 3.0

superalloy คือโลหะอัลลอยแบบหนึ่ง โลหะนี้คงทนต่อแรงทางกล การกัดกร่อน ด้วยสมบัติผลึกที่เกาะยึดแบบเฉพาะมันจึงคงทนมาก ได้รับการสังเคราะห์เพื่อใช้ในสภาวะวิกฤติ เช่นในอวกาศ ทะเลและในกังหันเทอร์ไบน์

ควอนตัมดอต Quantum dots

ภาพ CC-BY-SA 3.0

เป็นวัสดุที่มีขนาดเล็กมากเพียงไม่กี่นาโนเมตร ประกอบขึ้นจากอนุภาคของสารกึ่งตัวนำ และเนื่องจากขนาดดังกล่าว วัสดุชนิดนี้จึงมีคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างจากสารที่มีอนุภาคขนาดใหญ่ ควอนตัมดอตสามารถเปล่งแสงที่มีความถี่เฉพาะหากได้รับกระแสไฟฟ้า หรือ มีแสงมาตกกระทบ นอกจากนั้นการเปลี่ยนขนาด รูปร่าง และชนิดของสสาร ยังสามารถเปลี่ยนความถี่ของแสงที่ออกมาได้อย่างแม่นยำ จึงทำให้เทคโนโลยีดังกล่าวสามารถถูกนำไปประยุกตใช้ได้อย่างมากมาย

ควอนตัมดอทมีความสำคัญในการใช้งานด้านการมองเห็น ในการใช้งานทางอิเล็กทรอนิกส์ นำไปใช้เป็นทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดียว เพราะมีผลกระทบคูลอมบ์ ควอนตัมดอทนำไปใช้ได้ทางด้านการประมวลผลข้อมูลเชิงควอนตัม ความสามารถในการเปลี่ยนขนาดของควอนตัมดอทเป็นข้อดีในการนำไปใช้งาน ควอนตัมดอทขนาดใหญ่จะมีการเปลี่ยนสเปกตรัมไปทางแดงมากกว่าดอทขนาดเล็ก และแสดงคุณลักษณะทางควอนตัมน้อยกว่า อนุภาคขนาดเล็กจะมีข้อดีในด้านมีผลกระทบควอนตัมมากกว่า ในทิศทางศูนย์ ควอนตัมดอทมีความเข้มที่คมของระยะมากกว่าโครงสร้างที่มีทิศทางสูงกว่า จึงมีการนำพลังที่สูงกว่าและคุณสมบัติต่อการมองเห็น และมีงานวิจัยเพื่อนำไปใช้เช่นเลเซอร์ไดโอด ตัวขยายสัญญาณ และเซนเซอร์ทางชีวภาพ ควอนตัมดอทจะตื่นตัวภายในสนามแม่เหล็กที่ผลิตโดยอนุภาคนาโนของทอง ทำให้เห็นพลาสมอนเรโซแนนท์ ในสเปกตรัมของผลึกนาโน (CdSe)ZnS ได้ควอนตัมดอทที่มีคุณภาพสูง เหมาะสำหรับการมองเห็นและการใช้งานที่มีการปล่อยสเปกตรัมแคบๆ รูปแบบใหม่ของควอนตัมดอท มีศักยภาพในการเข้าถึงระยะไกลในการศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างภายในเซลล์ กระบวนการภายในเซลล์ระดับโมเลกุลเดียว ภาพถ่ายเซลล์ที่มีความละเอียดสูง การตรวจสอบในสิ่งมีชีวิตจริงระยะยาวในการสื่อสารระหว่างเซลล์ การเกิดเนื้องอกและการวินิจฉัย

แอร์โรเจล aerogel

ภาพ Public Domain

Aerogel เป็นของแข็งที่มีน้ำหนักเบาเกิดจากการแทนที่อากาศในเนื้อวัตถุ Aerogel มีน้ำหนักเบามากจนมีนักวิจัยบางคนพยายามสังเคราะห์มันให้เบากว่าอากาศเพื่อให้มันสามารถลอยในอากาศได้

แม้ปัจจุบัน Aerogel จะยังไม่สามารถเบากว่าอากาศ แต่สมบัติการเป็นฉนวนความร้อนทำให้มีการนำมันไปใช้ในงานป้องกันอัคคีภัย เช่นโครงสร้างของตึก และอื่นๆ เพราะไฟไม่สามารถเผ่าและผ่านความร้อนไปหลัง Aerogel ได้

Veselago Lens

ภาพ Public Domain

Veselago Lens คือเลนส์ที่สามารถให้กำลังแยกขยายระดับ subwavelenght มันเป็นเลนส์สมบูรณ์คือสามารถแยกขยายสิ่งที่ไม่สามารถใช้เลนส์ในช่วงแสงแยกขยายได้

Veselago ผู้คิดค้นคำนวณทางทฤษฎีของเลนส์ดังกล่าวไว้ เมื่อเขาพบว่าเลนส์รวมแสงทั่วไปมีขีดจำกัดจากแสงที่ใช้ เขาจึงจินตนาการถึงเลนส์ในอุดมคติในปี 1967

Perovskites

ภาพ CC-BY-SA 3.0

Perovskites เป็นวัสดุุประกอบขึ้นจากธาตุหลายธาตุสร้างพันธะกันเป็นโครงผลึกที่มีลักษณะเฉพาะ รูปแบบผลึกที่เกิดนี้เองทำให้ Perovskites มีสมบัติบางอย่างเฉพาะที่เหนือกว่าวัสดุอื่นเช่น Perovskites สามารถแปลงแสงเป็นไฟฟ้าได้

เซลล์สุริยะราคาถูกเป็นเป้าหมายในการพัฒนา Perovskites แต่ในปัจจุบันการสลายตัวของ Perovskites ในกลางแจ้งที่สูงทำให้เรายังไม่สามารถนำ Perovskites มาผลิตไฟฟ้าได้อย่างจริงจังนัก

วัสดุซ่อมแซมตัวเองได้

ภาพ CC-BY-SA 4.0

วัสดุซ่อมแซมตัวเอง เป็นวัสดุที่เกิดจากแรงบันดาลใจในชีวภาพ วัสดุซ่อมแซมตัวเองอาจเป็น พอลีเมอร์ นาโนทิวบ์

ปัจจุบันเรายังพยายามสังเคราะห์วัสดุใหม่ๆที่มีสมบัติดังกล่าวอยู่

Stannene

ภาพ CC-BY 4.0

Stanene เป็นวัสดุสองมิติ แต่มีสมบัติพิเศษเหนือวัสดุสองมิติอื่น กล่าวคือเมื่อสังเคราะห์สแตนนีนได้แล้ว สแตนนีนจะมีสมบัติเป็น topological insulator