แก้วโลหะคืออะไร - แอชวินิ บาห์ราธูล่า (Ashwini Bharathula)

ชมบทเรียนเต็มได้ที่: http://ed.ted.com/lessons/what-is-metallic-glass-ashwini-bharathula

เหล็กกล้าและพลาสติกมีความสำคัญต่อโครงสร้างพื้นฐานและเทคโนโลยีของเราอย่างมาก เหล็กกล้าแข็งแรงและทนทาน แต่ทำให้เป็นรูปทรงที่ซับซ้อนได้ยาก ขณะที่พลาสติกสามารถทำเป็นรูปทรงต่าง ๆ ได้หลากหลาย มันเปราะและอ่อนนุ่ม มันน่าจะดีถ้ามีวัสดุที่มีความแข็งแรงดุจเหล็กกล้าที่แข็งที่สุดและสามารถทำให้เป็นรูปทรงที่หลากหลายได้เหมือนพลาสติก แอชวินิ บาห์ราธูล่า อธิบายอนาคตของแก้วโลหะ

บทเรียนโดย Ashwini Bharathula, แอนิเมชันโดย Tinmouse Animation Studio

เหล็กกล้าและพลาสติก

วัสดุสองชนิดนี้มีความสำคัญ
ต่อโครงสร้างพื้นฐานและเทคโนโลยีของเรามาก

และพวกมันมีความแข็งและความเปราะ
ที่แตกต่างกัน

เหล็กกล้าแข็งแรงและทนทาน

แต่ทำให้เป็นรูปทรงที่ซับซ้อนได้ยาก

ขณะที่พลาสติกสามารถทำเป็นรูปทรงต่าง ๆ
ได้หลากหลาย

มันเปราะและอ่อนนุ่ม

ดังนั้น มันน่าจะดีถ้ามีวัสดุชนิดหนึ่ง

ที่มีความแข็งแรงดุจเหล็กกล้าที่แข็งที่สุด

และสามารถทำให้เป็นรูปทรงที่หลากหลาย
ได้เหมือนพลาสติก

เอาล่ะ ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์
และผู้เชียวชาญด้านเทคโนโลยีจำนวนมาก

กำลังรู้สึกตื่นเต้นกับสิ่งประดิษฐ์ใหม่
เรียกว่า "แก้วโลหะ" (metallic glass)

ซึ่งมีคุณสมบัติของวัสดุทั้งคู่
และคุณสมบัติอื่น ๆ อีก

โลหะแก้วมีลักษณะเป็นมันเงา
และทึบแสงเหมือนเหล็กกล้า

และเช่นเดียวกับเหล็กกล้า
พวกมันนำความร้อนและไฟฟ้าได้

แต่พวกมันแข็งแรงกว่าโลหะส่วนใหญ่

ซึ่งหมายความว่าพวกมันทนทาน
ต่อแรงปริมาณมากได้

โดยปราศจากการคดงอหรือแหว่งเว้า

นำไปทำเป็นมีดผ่าตัดที่มีความคมสุดขีด

และกล่องใส่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
ที่มีความแข็งแรงสุดขั้ว

บานพับ

ตะปูควง

และอีกมากมาย

แก้วโลหะยังมีคุณสมบัติที่น่าเหลือเชื่อ

คือกักเก็บและปลดปล่อยพลังงานยืดหยุ่น
(elastic energy)

ซึ่งทำให้พวกมันเป็นวัสดุ
ที่เหมาะจะนำไปผลิตอุปกรณ์กีฬา

เช่น ไม้เทนนิส

ไม้ตีกอล์ฟ

และ สกี

พวกมันทนต่อการกัดกร่อน

และสามารถถูกนำไปหล่อเป็นรูปทรงซับซ้อน
ที่มีพื้นผิวเหมือนกระจกได้

ในการขึ้นรูปขั้นตอนเดียว

แม้ว่ามันจะมีความแข็งแรงที่อุณหภูมิห้อง

ถ้าคุณเพิ่มอุณหภูมิให้สูงกว่า
ร้อยกว่า ๆ องศาเซลเซียส

พวกมันจะอ่อนตัวลงอย่างมีนัยสําคัญ

และจะสามารถถูกทำให้เป็นรูปร่าง
ได้ตามที่คุณต้องการ

เมื่อทำให้มันเย็นลง

พวกมันจะกลับมามีความแข็งเแรงเหมือนเดิม

แล้วคุณสมบัติมหัศจรรน์เหล่านี้มาจากไหนล่ะ

หลักการสำคัญคือมันเกี่ยวข้องกับ
โครงสร้างอะตอมของแก้วโลหะที่มีความพิเศษ

โลหะส่วนใหญ่เป็นผลึกเป็นของแข็ง

นั่นหมายความว่า หากคุณเข้าไปใกล้มากพอ
ที่จะเห็นอะตอม

คุณจะพบพวกมันเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ
รูปแบบซ้ำ ๆ

กระจายอยู่ทั่วไปในเนื้อของวัสดุ

น้ำแข็งเป็นผลึก

เพชรก็ด้วย

เกลือก็เช่นกัน

ถ้าคุณให้ความร้อนสูงมากพอ
ที่จะทำให้พวกมันละลาย

อะตอมจะสั่นและเคลื่อนที่อย่างสุ่ม

แต่เมื่อคุณทำให้มันเย็นลง

อะตอมจะจัดเรียงตัวของพวกมันใหม่

สร้างเป็นผลึกขึ้นอีกครั้ง

แต่จะเกิดอะไรขึ้น ถ้าคุณทำให้โลหะเหลว
เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว

จนทำให้อะตอมไม่สามารถ
หาตำแหน่งเดิมของมันได้

เพื่อที่วัสดุนั้นที่เคยเป็นของแข็ง

แต่ด้วยความโกลาหล ทำให้มันกลายเป็นของเหลว
ที่โครงสร้างภายในมีรูปร่างไม่แน่นอนล่ะ

นั่นล่ะ คือแก้วโลหะ

โครงสร้างของมันได้รับประโยชน์
จากการขาดขอบเขตที่ชัดเจนในเนื้อวัสดุ

ซึ่งโลหะส่วนใหญ่มี

นั่นคือจุดอ่อนที่ทำให้โลหะเหล่านั้น
เป็นรอยได้ง่ายกว่า

หรือผุกร่อน

แก้วโลหะถูกสร้างขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1960
จากทองคำและซิลิคอน

มันสร้างขึ้นได้ยาก

เพราะอะตอมของโลหะตกผลึกได้อย่างรวดเร็ว

นักวิทยาศาสตร์ต้องทำให้โลหะผสมนี้
เย็นลงอย่างรวดเร็วมาก

ในอัตราหนึ่งล้านองศาเคลวินต่อวินาที

โดยการยิงละอองโลหะขนาดเล็กจิ๋ว
ไปที่แผ่นทองแดงเย็นเฉียบ

หรือการปั่นให้เป็นริบบิ้นเส้นบางเฉียบ

ในเวลานั้น แก้วโลหะมีความหนา
ได้แค่สิบหรือร้อยไมครอนเท่านั้น

ซึ่งบางเกินไปสำหรับการนำไปใช้ประโยชน์
ในทางปฏิบัติ

นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา
นักวิทยาศาสตร์ได้พบว่า

ถ้าคุณผสมโลหะหลาย ๆ ชนิด
ที่รวมตัวกันอย่างอิสระ

แต่ตกผลึกพร้อมกันได้ยาก

ซึ่งโดยทั่วไปเป็นเพราะว่าพวกมัน
มีขนาดอะตอมที่ต่างกันมาก

สารผสมจึงตกผลึกได้ช้ากว่ามาก

นั่นหมายความว่า
คุณไม่จำเป็นต้องรีบทำให้มันเย็นลง

ดังนั้น วัสดุจึงมีความหนาได้มากขึ้น

เป็นระดับเซนติเมตร แทนที่จะเป็นไมโครเมตร

วัสดุนี้ถูกเรียกว่าแก้วโลหะขนาดใหญ่
(bulk metallic glass) หรือ BMG

ในปัจจุบันมี BMG ที่แตกต่างกันหลายร้อยชนิด

แล้วทำไมสะพานและรถยนต์
จึงไม่ได้สร้างจากพวกมันล่ะ

BMG หลายชนิดที่ใช้งานได้ในปัจจุบัน
สร้างขึ้นจากโลหะราคาแพง

เช่น แพแลเดียม และ เซอร์โคเนียม

และพวกมันต้องมีความบริสุทธิ์สูงมาก

เพราะความไม่บริสุทธิ๋ใด ๆ ก็ตาม
สามารถก่อให้เกิดการตกผลึกได้

ดังนั้น ตึกระฟ้าหรือยานอวกาศ
ที่สร้างจาก BMG จึงมีราคาแพงมหาศาล

และถึงแม้ว่าพวกมันจะมีความแข็งแรง

พวกมันก็ยังไม่ทนทานมากพอ
สำหรับนำไปใช้รับน้ำหนักในงานก่อสร้าง

เมื่อมีความเครียดสูง พวกมันแตกร้าวได้
โดยไม่อาจรู้ได้ล่วงหน้า

ซึ่งมันไม่ใช่วัสดุในอุดมคติ ยกตัวอย่างเช่น
สำหรับการสร้างสะพาน

แต่เมื่อวิศวกรค้นพบวิธีสร้าง BMG
จากโลหะที่มีราคาถูกกว่านี้ได้

และทำให้มันมีความทนทานมากขึ้นได้

วัสดุสุดแสนวิเศษนี้

จะมีศักยภาพมากมายอย่างไร้ขีดจำกัด