เพชรนุ่มลงที่ระดับนาโนเพราะอะไร
วัสดุที่เราคุ้นเคยมักจะมีพฤติกรรมแปลกประหลาดเมื่ออยู่ที่ขนาดเล็กสุดๆ โดยเฉพาะเพชรที่ปกติแข็งแกร่งและเปราะบาง แต่กลับกลายเป็นนุ่มนวลที่ระดับนาโน หลังจากนักฟิสิกส์พยายามไขปริศนานี้มานานหลายปี ในที่สุดทีมวิจัยก็ค้นพบคำตอบแล้ว
เพชรนุ่มลงที่ระดับนาโนเพราะอะไร
ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ออกแบบพิเศษ นักวิจัยพบว่าตัวเพชรขนาดนาโนมีพันธะเคมีที่อ่อนแอระหว่างชั้นผิวและแกนกลาง เมื่อกดดันนาโนเพชร แรงกดจะสะสมที่บริเวณกลางระหว่างผิวและแกน ทำให้เพชรไม่แตกหัก แต่กลับยืดหยุ่นเหมือนวัสดุอ่อน “ช่วยให้มีความยืดหยุ่นที่แทบเป็นไปไม่ได้ในเพชรขนาดใหญ่” ตามที่นักวิจัยรายงานในวารสาร Physical Review X
“กลไกที่ซ่อนอยู่นี้อาจมีบทบาทในความยืดหยุ่นของวัสดุเปราะ และบ่งชี้ว่าเพชรซึ่งเป็นต้นแบบของความแข็ง สามารถปรับแต่งคุณสมบัติเชิงกลได้ที่ระดับนาโน” ทีมวิจัยนำโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Zhengzhou และ Henan Academy of Sciences ในจีน ระบุในงานวิจัย
สัดส่วนอะตอมคือกุญแจสำคัญ
กลไกหลักเบื้องหลังความยืดหยุ่นนี้คืออัตราส่วนระหว่างจำนวนอะตอมบนชั้นผิวของเพชรกับแกนกลาง ในนาโนเพชร อัตราส่วนนี้มีค่าสูงมาก ในขณะที่เพชรขนาดใหญ่มีสัดส่วนผิวต่อแกนต่ำกว่า Chongxin Shan ผู้เขียนอาวุโสและนักวิทยาศาสตร์วัสดุจากมหาวิทยาลัย Zhengzhou บอกกับ New Scientist
ในนาโนเพชร สัดส่วนผิวต่อแกนที่ใหญ่กว่าทำให้พันธะระหว่างอะตอมผิวและแกนกลางอ่อนแอที่บริเวณอินเตอร์เฟซ บริเวณนี้มีบทบาท “ตัดสิน” คุณสมบัติยืดหยุ่น เมื่อถูกกดดัน บริเวณอินเตอร์เฟซนี้ทำหน้าที่เป็นพื้นที่ยืดหยุ่น ดูดซับแรงกระแทกแทนอะตอมผิวและแกน
ในการทดลอง นักวิจัยทดสอบเพชรราว 100 เม็ดในสุญญากาศแยก แต่ละเม็ดอบที่ 100 องศาเซลเซียสเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อน นาโนเพชรแต่ละเม็ดถูกหนีบระหว่างเครื่องกดเพชรสองตัว และเชื่อมกับเซ็นเซอร์วัดความนุ่มโดยไม่แตก
ที่น่าทึ่งคือ ขนาดมีผลจริงๆ เพชร 13 นาโนเมตรมีความแข็งเหมือนเครื่องประดับทั่วไป แต่เพชร 4 นาโนเมตรยืดหยุ่นกว่า 30% นักวิจัยสร้างโมเดลคณิตศาสตร์เพื่อคำนวณความยืดหยุ่นที่ระดับนาโน
- เพชรใช้ในแคปซูลเก็บไฮโดรเจนสำหรับฟิวชัน ข้อบกพร่องเล็กๆ อาจทำลายปฏิกิริยาฟิวชัน
- เป็นหน่วยเก็บข้อมูลในอุปกรณ์ควอนตัม การเปิดใช้งานควอนตัมในเพชร
- ส่วนสำคัญในกระบวนการผลิตอุตสาหกรรม สถิติเพชรอุตสาหกรรม
นักวิจัยชี้ว่าผลนี้ช่วย “ปรับแต่งอุปกรณ์นาโน เช่น ตัวสั่นนาโน องค์ประกอบโฟนอนิก และเซ็นเซอร์ควอนตัมจากเพชร” ทำให้สามารถออกแบบส่วนประกอบยืดหยุ่นในเทคโนโลยี敏感ได้
การค้นพบนี้เปิดประตูสู่การพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ๆ ลองนึกภาพเครื่องมือทางการแพทย์หรือเซ็นเซอร์ที่ทนทานยิ่งขึ้น คุณคิดว่ามันจะเปลี่ยนโลกอย่างไร? แชร์ความเห็นในคอมเมนต์เลย!
ที่มา – Diamonds Get a Little Squishy at the Nanoscale. Here’s Why