“โลหะซ่อมแซมตัวเองได้” ความเป็นไปได้ของเครื่องจักรที่ไม่มีวันสึกหรอ

หากพูดถึงโลหะที่สามารถซ่อมแซมตัวเองหรือฟื้นคืนสภาพเดิมได้ด้วยตัวเอง เราคงนึกว่ามันเป็นสิ่งที่มีอยู่แต่ในนวนิยายหรือภาพยนตร์ไซไฟ แต่ในความเป็นจริง นักวิทยาศาสตร์เพิ่งทราบว่า โลหะบนโลกของเรา ความจริงแล้วมีคุณสมบัติ “ซ่อมแซมตัวเองได้” อยู่ด้วย

ที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกได้สร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติสามารถซ่อมแซมตัวเองได้ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นพลาสติก แต่แนวคิดของโลหะที่รักษาตัวเองได้นั้น เดิมพบแต่ในนิยายไซไฟเป็นส่วนใหญ่

 

 

ต้องเท้าความก่อนว่า ทฤษฎีว่าโลหะสามารถซ่อมแซมตัวเองได้นั้น ถูกเสนอในปี 2013 โดย ไมเคิล เดมโควิซ ซึ่งขณะนั้นเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ของสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ปัจจุบันเป็นศาสตราจารย์เต็มตัวที่มหาวิทยาลัยเท็กซัสเอแอนด์เอ็ม

เขาได้เผยแพร่ทฤษฎีใหม่ โดยอิงจากผลการค้นพบในการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ว่า “ภายใต้เงื่อนไขบางประการ โลหะควรจะสามารถเชื่อมปิดรอยร้าวที่เกิดจากการสึกหรอได้ด้วยตัวเอง”

และ 10 ปีต่อมา ในปี 2023 ทฟษฎีของเขาก็ได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นความจริง การค้นพบนี้เกิดขึ้นกับโลหะประเภท “แพลทินัม” (Platinum) เป็นผลงานของทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติแซนเดีย และมหาวิทยาลัยเท็กซัสเอแอนด์เอ็ม จากการที่พวกเขา “ได้เห็นชิ้นส่วนโลหะที่แตก หลอมรวมเข้าด้วยกันด้วยตัวเอง โดยไม่มีการแทรกแซงของมนุษย์”

ปลาใกล้โรงไฟฟ้าฟุกุชิมะ มีระดับกัมมันตรังสีเกินมาตรฐาน 180 เท่า

พบ “วัตถุท้องฟ้า” ชนิดใหม่ ที่อาจเปลี่ยนความเข้าใจเกี่ยวกับ “แมกนีทาร์”

โลกดาราศาสตร์ทึ่ง! พบ “ดาวสองหน้า” ของแปลกแห่งจักรวาล

หากปรากฏการณ์ที่เพิ่งค้นพบนี้สามารถควบคุมได้ ก็อาจนำไปสู่การปฏิวัติทางวิศวกรรม ซึ่งหนึ่งในนั้นก็คือเครื่องยนต์ สะพาน และเครื่องบิน ที่ในอนาคตอาจสามารถซ่อมแซมตัวเองได้ ย้อนกลับความเสียหายที่เกิดจากการสึกหรอ ทำให้ปลอดภัยยิ่งขึ้นและมีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น

แบรด บอยซ์ นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุของแซนเดีย หนึ่งในทีมวิจัย กล่าวว่า “สิ่งนี้น่าทึ่งมากเมื่อได้เห็นโดยตรง สิ่งที่เราได้รับการยืนยันคือ โลหะมีความสามารถตามธรรมชาติในการฟื้นฟูตัวเอง อย่างน้อยก็ในกรณีของความเสียหายจากการสึกหรอในระดับนาโน”

ความเสียหายจากการสึกหรอ เป็นวิธีหนึ่งที่เครื่องจักรจะเสื่อมสภาพและพังในที่สุด ความเครียดหรือการเคลื่อนไหวซ้ำ ๆ ทำให้เกิดรอยแตกขนาดเล็ก เมื่อเวลาผ่านไป รอยร้าวเหล่านี้จะขยายใหญ่ขึ้นและลุกลามจนเครื่องจักรพัง

บอยซ์กล่าวว่า “ตั้งแต่ข้อต่อประสานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ไปจนถึงเครื่องยนต์ของยานพาหนะ ไปจนถึงสะพานที่เราขับรถผ่าน โครงสร้างเหล่านี้มักจะพังอย่างคาดเดาไม่ได้เนื่องจากการใช้งานแบบวนซ้ำซึ่งนำไปสู่การเริ่มต้นของการสึกหรอและแตกหักในที่สุด”

เขาเสริมว่า “เราต้องต่อสู้กับค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนทดแทน เวลาที่สูญเสียไป และในบางกรณี ถึงขั้นบาดเจ็บหรือเสียชีวิต ผลกระทบทางเศรษฐกิจของความล้มเหลวเหล่านี้วัดเป็นมูลค่าหลายแสนล้านดอลลาร์ทุกปีสำหรับสหรัฐฯ”

รอยที่บอยซ์และทีมวิจัยเห็นว่าหายไป จนได้ข้อสรุปว่าโลหะสามารถซ่อมแซมตัวเองได้นั้น มีลักษณะเป็นรอยแยกขนาดเล็ก แต่โดยที่นักวิจัยยังไม่ได้ทำอะไรก็ปรากฏว่า โลหะเกิดการซ่อมแซมตัวเองในระดับนาโนเมตร

การพิสูจน์ว่าทฤษฎีของเดมโควิซเป็นจริงนั้นเกิดขึ้นโดยไม่ได้ตั้งใจที่ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแบบบูรณาการ ซึ่งเป็นหน่วยงานของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ เป็นฝีมือของ คาลิด อัตทาร์ รองศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยเทนเนสซี และคริส บาร์ จากสำนักงานพลังงานนิวเคลียร์ของกระทรวงพลังงาน

ในตอนที่ค้นพบ พวกเขากำลังทำการศึกษาว่า รอยแตกก่อตัวและแพร่กระจายผ่านชิ้นส่วนแพลทินัมได้อย่างไรในระดับนาโน โดยใช้เทคนิคพิเศษของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่พวกเขาพัฒนาขึ้นเพื่อดึงปลายโลหะซ้ำ ๆ 200 ครั้งต่อวินาที

แต่น่าแปลกใจที่ประมาณ 40 นาทีในการทดลอง ความเสียหายกลับได้รับการซ่อมแซมโดยที่พวกเขาไม่ได้ทำอะไรเลย ปลายด้านหนึ่งของรอยร้าวหลอมรวมเข้าด้วยกันราวกับว่ามันกำลังย้อนเวลา โดยไม่ทิ้งร่องรอยของการสึกหรอในอดีต

เมื่อทีมวิจัยนำการค้นพบนี้ไปบอกกับเดมโควิซ ซึ่งเจ้าของทฤษฎีก็ได้สร้างการทดลองขึ้นมาใหม่บนแบบจำลองคอมพิวเตอร์อีกครั้ง ยืนยันว่าปรากฏการณ์ที่เห็นที่แซนเดียนั้นเป็นปรากฏการณ์เดียวกันกับที่เขาเคยสร้างทฤษฎีเมื่อหลายปีก่อน

ทั้งนี้ ยังมีอะไรอีกมากที่นักวิจัยยังไม่ทราบเกี่ยวกับกระบวนการซ่อมแซมตัวเองของโลหะ รวมถึงเรื่องที่ว่า กระบวนการดังกล่าวจะกลายเป็นเครื่องมือที่ใช้งานได้จริงในการผลิตเครื่องยนต์เครื่องมือต่าง ๆ ได้หรือไม่ เป็นเรื่องที่จะต้องเดินหน้าศึกษาต่อไป

 

อ่านงานวิจัยฉบับเต็ม ที่นี่

เรียบเรียงจาก Sandia National Laboratories

ภาพจาก Sandia National Laboratories