| ที่มา | คอลัมน์ ฟิสิกส์ธรรมดาสาระมันส์ |
|---|---|
| ผู้เขียน | อาจวรงค์ จันทมาศ www.facebook.com/ardwarong |
หลายคนถามผมว่า “นักฟิสิกส์บ้านเราทำอะไรกันอยู่?”
ผมคงตอบคำถามนี้ได้ไม่ดีเท่านักฟิสิกส์จริงๆ ไม่นานนี้ผมเพิ่งทราบข่าวว่า ดร.อภิวัฒน์ วิศิษฏสรศักดิ์ ซึ่งเป็นอาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ได้สร้างผลงานวิจัยร่วมกับศาสตราจารย์ Peter Wolynes แห่งมหาวิทยาลัยไรซ์ไว้ในวารสารวิชาการชื่อดังอย่าง Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)
งานวิจัยดังกล่าวไขปริศนาการแตกของแก้วแบบลงลึกในรายละเอียด
อาทิตย์นี้ผมจึงนำงานวิจัยที่ ดร.อภิวัฒน์ เขียนมาลงให้ทุกท่านได้อ่านว่าคนไทยก็สร้างงานวิจัยระดับโลกได้ นอกจากนี้น้องๆ จะได้รู้ว่านักฟิสิกส์เก่งๆ บ้านเราก็มีเหมือนกัน
ปริศนาการแตกของแก้ว
ในทางฟิสิกส์ “แก้ว” มีสมบัติทางกายภาพที่ก้ำกึ่งระหว่างของแข็งและของเหลวกล่าวคือ แก้วนั้นแข็งมาก ทว่าโครงสร้างของแก้วนั้นกลับมีลักษณะเหมือนกับของเหลวเพราะโมเลกุลภายในแก้วมีการเรียงตัวกันอย่างสุ่มและไร้ระเบียบ
แม้ว่าแก้วมีหลายประเภทแบ่งตามสารตั้งต้นที่แตกต่างกัน แต่แก้วกลับมีสมบัติหลายๆ อย่างที่คล้ายคลึงกัน ซึ่งสมบัติที่เห็นได้ชัดที่สุดคือ มันเปราะและแตกง่าย (brittle) ด้วยเหตุนี้แก้วจึงไม่เหมาะจะใช้เป็นโครงสร้างรับน้ำหนักภายในอาคารหรือสิ่งของต่างๆ
ที่น่าสนใจ คือการแตกของแก้วนั้นแตกต่างจากการแตกของวัสดุประเภทอื่นอย่างชัดเจน บริเวณขอบที่เกิดการแตกนั้นค่อนข้างคมและเรียบมาก แต่ก่อนที่แก้วจะแตกนั้น อนุภาคของแก้วจะเกิดการเลื่อนเป็นแถบเล็กๆ ซึ่งมีความกว้างประมาณ 10-20 นาโนเมตร (รอยเลื่อนเหล่านี้ถูกเรียกว่า “shear bands” ดังภาพที่ 1)
คำถามก็คือ รอยเลื่อนในแก้วเหล่านี้เกิดขึ้นมาได้อย่างไร?
การตอบปัญหานี้ให้ได้อาจนำไปสู่การพัฒนาวัสดุประเภทแก้วที่มีคุณภาพที่ดีขึ้นในอนาคต
ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (SEM) แสดงให้เห็นถึงลักษณณะของรอยเลื่อน (shear bands) จากแก้วแบบ Vitreloy106 [J. Appl. Phys. 94(2), 904 (2003).]
ปัญหาการแตกของแก้วนี้เป็นสิ่งที่คาใจนักฟิสิกส์มานานและเพิ่มความน่าสนใจขึ้นอย่างมากในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าธาตุกลุ่มโลหะสามารถนำมาผลิตเป็นแก้วได้ ในช่วงเกือบดังกล่าวได้มีการเสนอแบบจำลองเพื่ออธิบายการเกิดรอยเลื่อนดังกล่าวซึ่งหนึ่งในแบบจำลองที่ได้รับการกล่าวถึงบ่อยครั้งคือ Shear Transformation Zone (STZ) model แต่แบบจำลองดังกล่าวยังมีปัญหาเชิงทฤษฎีอยู่หลายอย่าง
ในงานวิจัยชิ้นนี้ ผู้วิจัยได้พยายามเสนอแนวคิดเกี่ยวกับการศึกษาแก้วทุกประเภทด้วยกรอบทฤษฎีเดียว และรายละเอียดการคำนวณของทฤษฎีนั้นต้องมีเหตุผลทางฟิสิกส์รองรับ ทฤษฎีดังกล่าวนี้มีชื่อเรียกว่า The Random First-Order Transition (RFOT) Theory ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาทฤษฎี RFOT ประสบความสำเร็จอย่างมาในการทำนายสมบัติต่างๆ ของแก้วโดยเฉพาะอย่างยิ่ง สมบัติที่เกี่ยวข้องกับอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics)
การศึกษาในงานวิจัยนี้ได้ทำการทดสอบแบบจำลองของแก้วประเภท Vitreloy1 ในทางทฤษฎี ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเมื่อมีแรงมากระทำกับแก้ว จะปรากฏรอยเลื่อนในแก้วขึ้นมาตรงกับผลที่ได้จากการทดลอง และขนาดความกว้างของรอยเลื่อนมีค่าประมาณ 10 nm และเอียงทำมุม 45 องศากับแนวแรง
การเกิดขึ้นของรอยเลื่อนจากแบบจำลองในผลงานวิจัยชิ้นนี้ ระดับสีแทนความเครียด (stress หมายถึง แรงต่อหน่วยพื้นที่) ในหน่วย MPa ส่วนลูกศรแทนทิศทางการเคลื่อนที่แต่ละตำแหน่งของแก้ว
เขียน โดย ดร.อภิวัฒน์ วิศิษฏสรศักดิ์
