jump to navigation

ไขความลับโครงสร้างผลึก October 17, 2009

Posted by viboon in : Science and engineering , trackback

การจัดเรียงตัวของโครงสร้างผลึกในวัสดุต่างๆ ถือเป็นเรื่องที่น่าสนใจ โดยการจัดเรียงตัวของอะตอมจะแตกต่างกันไปตามแต่ละชนิดและปัจจัยแวดล้อมอื่นๆ คำถามง่ายๆ ที่ตอบยากที่สุดคือ “ทำไมรูปทรงผลึกที่ได้ถึงเป็นอย่างนั้น?”

โครงสร้างผลึกมีอยู่ในวัสดุต่างๆ รอบตัวเรา ไม่ว่าจะเป็นโลหะ หิน หรือแม้แต่กระดูกในร่างกายเรา โครงสร้างของผลึกจะบอกถึงคุณสมบัติของมันเอง การจัดเรียงตัวของอะตอมต่างๆ ในวัสดุทำให้วัสดุมีความแข็งหรืออ่อน นำหรือไม่นำไฟฟ้า เป็นต้น แต่ด้วยความรู้ที่เรามีอยู่ตอนนี้ เราไม่สามารถบอกได้ว่า โครงสร้างที่จะได้จากการจัดเรียงตัวจะเป็นอย่างไร โดยทั่วไปแล้ว เรารู้รูปแบบผลึกของธาตุต่างๆ ผ่านการทดลองเป็นหลัก

diamond

คำถามง่ายๆ นี้ ที่นักฟิสิกส์ทั้งหลายต่างปวดหัวในการหาคำตอบ เหตุใดอะตอมถึงจับกลุ่มกันด้วยรูปแบบเฉพาะรูปแบบหนึ่งแทนที่จะเป็นรูปแบบอื่นๆ และเราสามารถจะทำนายได้หรือไม่ว่าโครงสร้างผลึกมีกลไกการจัดเรียงตัวกันอย่างไร และคุณสมบัติของวัสดุอะไรที่จะได้จากการจัดเรียงตัวของอะตอม

คำตอบง่ายๆ ของคำถามที่ดูง่ายๆ ก็คือ “ไม่รู้” แต่ความไม่รู้จะกลายเป็น “เริ่มรู้นิดหน่อย” โดย Chris Pickard จาก University College London ได้พัฒนาวิธีการทำนายโครงสร้างของผลึกที่ได้จากการจัดเรียงตัวของอะตอมต่างๆ ผ่านการพัฒนาโปรแกรม simulation ด้วยคอมพิวเตอร์ ซึ่งเป็นงานที่อาจารย์ของเขาเองทิ้งไว้พร้อมบอกว่า “เอาไปใช้คำนวณอะไรก็ได้ตามแต่อยากจะใช้”

ประเด็นที่น่าสนใจคือ ถ้าเราสามารถรู้กลไลการจัดโครงสร้างผลึกที่จะได้ผ่านการทำ simulation เราอาจค้นพบวัสดุใหม่ๆ จากการจัดเรียงตัวผลึกที่ต่างกันไป Pickard เลือกที่จะศึกษาอะตอมของ carbon ธาตุที่มีโครงสร้างผลึกอันแสนลึกลับ ด้วยเหตุที่ว่า carbon สามารถจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างที่แข็งที่สุดอย่าง เพชร หรือ อ่อนอย่าง graphite ได้ ความลับของการจัดเรียงตัวที่ต่างกันราวฟ้ากับเหวนี้คืออะไร? Pickard ได้จำลองให้ carbon อะตอมจับและจัดเรียงตัวกันเองเป็นโครงสร้างผลึก ด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าอะตอมจะพยายามจับกันโดยใช้พลังงานน้อยที่สุด จากแบบจำลองของ Pickard ที่ค่อยๆ ลดพลังงานที่ใส่ให้กับอะตอมจนไปถึงไม่ใส่พลังงานให้เลย โดยโครงสร้างที่คาดหวังว่าจะได้คือโครงสร้างสุดท้ายที่เป็นไปตามธรรมชาติของ carbon อะตอม แต่ผลที่ได้คือ carbon อะตอมไม่สามารถจัดเรียงตัวกันเป็นโครงสร้างผลึกตามปกติ กล่าวคือเป็น tetrahedral สำหรับ diamond structure หรือ honeycomb sheets สำหรับ graphite แต่เป็นโครงสร้างที่ดูไม่เป็นระเบียบแบบแผน ต่อมา เขาได้พัฒนาวิธีการอื่นๆ ในการทำนายโครงสร้างผลึก carbon แต่ก็ยังมีข้อจำกัดอยู่หลายด้าน เช่น การคำนวณยังจำกัดอยู่ที่พันธะบางแบบและสมมติฐานถึงจำนวนพันธะที่อะตอมสามารถจับตัวกันได้ เช่น carbon อะตอมจะจับกับ carbon อะตอมข้างเคียง 3 อะตอม สำหรับ graphite แต่สำหรับ diamond จะเป็น 4 อะตอม ภายหลังทำการศึกษามากว่า 10 ปี ผลการคำนวณเริ่มดูใกล้ความเป็นจริงมากขึ้น ส่วนหนึ่งมาจากการพัฒนาด้านคอมพิวเตอร์ที่ช่วยในการคำนวณให้มีความรวดเร็วมากขึ้น

นอกจากนี้ Pickard ยังได้ร่วมงานกับ Richard Needs จาก University of Cambridge ในการศึกษาโครงสร้างของ Hydrogen ซึ่งเป็นอะตอมที่มีรูปแบบที่ง่ายที่สุด แต่ถ้าพิจารณาในสถานะของของแข็ง hydrogen กลับกลายเป็นโครงสร้างอันแสนซับซ้อน จากการคำนวณคร่าวๆ พบว่า เมื่อบีบ hydrogen อะตอม ภายใต้แรงดัน 3 ล้าน atm มันจะเป็น solid hydrogen ที่นำไฟฟ้า แต่เมื่อทำการทดลองพบว่า hydrogen ที่ได้ยังไม่นำไฟฟ้า และเมื่อทำการ simulation ด้วยโปรแกรมของ Pickard ก็พบว่า นอกจากโครงสร้างที่ได้มีความเสถียรแล้ว คุณสมบัติทางไฟฟ้าก็เป็น insulator ตามแบบที่ได้จากการทดลองอีกด้วย ซึ่งแสดงถึงความแม่นยำในการทำนายผล simulation เทียบกับการทดลอง จากการค้นพบนี้อาจนำไปสู่การพัฒนาอะตอม hydrogen ที่จัดเรียงตัวกันแน่นมากขึ้นสำหรับรถยนต์ solid fuel หรือพลังงานสำหรับจรวดที่ไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม

วิธีการในการทำนายโครงสร้างผลึกของวัสดุยังต้องได้รับการพัฒนาต่อไป ซึ่งรวมไปถึงการพัฒนาในการคำนวณสำหรับโมเลกุลประเภท organic อีกด้วย แม้ความแม่นยำของการทำนายจะมีมากขึ้น ซึ่งอาจนำไปสู่การเกิดโครงสร้างผลึกใหม่ๆ ที่ได้วัสดุที่แข็งที่สุด มีคุณสมบัติ superconductor ที่อุณหภูมิห้อง หรือช่วยรักษาโรคร้ายต่างๆ อย่างน่าอัศจรรย์ หากแต่เมื่อนักเคมีถามว่า “แล้วจะสร้างวัสดุคุณสมบัติที่ว่าขึ้นมาอย่างไร?” คำตอบยังคงเป็นความเงียบ ที่รอการค้นพบครั้งใหม่ต่อไป

Ref: http://www.newscientist.com/article/mg20427301.200-solving-the-crystal-maze-the-secrets-of-structure.html


Tags: , , , ,

Related posts:

Comments»

no comments yet - be the first?


*