วัสดุจากหอยนมสาว แข็งแกร่งเท่าเคฟลาร์

ในบรรดาวัสดุจากธรรมชาติเรามักได้ยินว่าใยแมงมุมมีความแข็งแรงทนทาน มีศักยภาพในการรับน้ำหนักมากกว่าเหล็กในปริมาณเท่ากันได้มากถึง 6 เท่า ถือเป็นหนึ่งในวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดในโลกชนิดหนึ่ง จนถูกนำไปสร้างเป็นฮีโร่พลังแมงมุมผู้โด่งดังอย่าง Spider-man

 

         แต่ล่าสุดความเข้าใจดังกล่าวอาจต้องเปลี่ยนไปเมื่อมีการค้นพบวัสดุชนิดใหม่ที่มีความทนทานยิ่งกว่า จากสารที่ค้นพบภายในหอยนมสาวที่มีความแข็งแกร่งยิ่งกว่าใยแมงมุมหลายเท่า และหากเทียบกับสสารที่มนุษย์สร้างขึ้นแล้ว มันอาจแข็งแกร่งเทียบเท่ากับเคฟลาร์เลยทีเดียว

 

         มาถึงตรงนี้หลาบท่านอาจสงสัยว่าเคฟลาร์คืออะไรทำไมจึงยกมาเปรียบเทียบ? ดังนั้นจึงขออธิบายเพิ่มเติมเสียหน่อย

เคฟลาร์ วัสดุที่แพร่หลายในหลากอุตสาหกรรม

 

         เคฟลาร์(Kevlar) เป็นชื่อเรียกทางการค้าของเส้นใยสังเคราะห์โพลิเมอร์ โดยอาศัยโครงสร้างผลึกทำให้วัสดุนี้มีความคงทนแข็งแรง ถูกผลิตขึ้นครั้งแรกโดย DuPont de Nemours, Inc. แห่งสหรัฐฯ ในปี 1965 ก่อนแพร่หลายไปยังบริษัทจำนวนมากในปัจจุบัน

 

         จุดเด่นของเคฟลาร์คือคุณสมบัติคงทนแข็งแรงทั้งต่อแรงกระแทก การขัดถู สารเคมี และอุณหภูมิสูง แต่มีน้ำหนักเบา โดยเมื่อเปรียบกับเหล็กกล้าจะมีความทนทานมากกว่าถึง 5 เท่า ด้วยความโดดเด่นในหลายด้านทำให้ถูกนำไปใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมหลายประเภท ตั้งแต่

 

•          อุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคล เช่น ชุดเกราะกันกระสุน ถุงมือป้องกันของมีคม ชุดนักแข่งรถ หมวกกันน็อก ฯลฯ

 

•          อุปกรณ์ในยานพาหนะ ได้แก่ ยางรถยนต์ ผ้าเบรกรถยนต์ หรือแม้แต่ชิ้นส่วนเครื่องบินรบ

 

•          เชือกหรือสายเคเบิล ได้รับความนิยมในงานที่ต้องการความทนทานและปลอดภัยสูง

 

•          อุปกรณ์กีฬานานาชนิด เช่น เอ็นตกปลา ไม้เทนนิส เรือแคนู กระดานสกี เป็นต้น

 

         ด้วยความแพร่หลายและใช้งานในหลากหลายภาคส่วน ทำให้เคฟลาร์เป็นวัสดุที่ได้รับการพิสูจน์ในแง่ความทนทานและประสิทธิภาพมายาวนาน และกลายเป็นหนึ่งในวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดบนโลกชนิดหนึ่ง แต่ทุกอย่างกำลังจะเปลี่ยนไปจากวัสดุชีวภาพที่ได้จากหอยทะเลที่มีความแข็งแกร่งเทียบเท่า

วัสดุชนิดใหม่ที่มีต้นแบบมาจากฟันของหอยทะเล

 

         อันที่จริงสารชนิดนี้ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 2015 จากหอยทะเลรูปทรงกรวยหรือที่เรารู้จักกันในชื่อ หอยนมสาว ด้วยหอยประเภทนี้จะมีฟันขนาดจิ๋วตามลิ้นไว้ใช้ในการขูดอาหารออกจากซอกหินเข้าปาก ซึ่งฟันเหล่านี้มีคุณสมบัติแข็งแกร่งแต่ยืดหยุ่น เทียบเท่าเส้นใยคาร์บอนและเคฟลาร์เลยทีเดียว

 

         การค้นพบดังกล่าวนำไปสู่การคิดนำวัสดุชนิดนี้มาใช้ประโยชน์ และกลายเป็นผลสำเร็จของทีมวิจัยจาก มหาวิทยาลัยเชฟฟิลด์ ที่สามารถจำลองการก่อตัวของฟันหอยเหล่านี้ได้ในห้องปฏิบัติการ สามารถสร้างวัสดุที่มีความแข็งแรงและยืดหยุ่นขึ้นมาได้เป็นผลสำเร็จ

 

         องค์ประกอบสำคัญของเส้นใยชนิดนี้เกิดขึ้นจากวัสดุที่เรียกว่า Chitin กระจายตัวเป็นอนุภาคผลึกและถูกเคลือบด้วยแร่เหล็กอย่าง Goethite ช่วยให้สารชนิดนี้มีคุณสมับัติยืดหยุ่นอยู่ภายในและทนทานตรงผิวนอก เมื่อรวมกับการเชื่อมโยงเข้าหากันในลักษณะเดียวกับเส้นใยคาร์บอน ฟันเหล่านี้จึงมีความแข็งแรงทนทานตามธรรมชาติ

 

         เมื่อเข้าใจคุณสมบัติและลองย้อนกระบวนการสร้าโดยการเพาะอวัยวะที่ใช้ในการสร้างสารนี้ขึ้นมาของหอยนมสาว จากนั้นจึงเริ่มทดสอบการสร้างสารนี้ขึ้นมาในห้องปฏิบัติการ ใช้เวลาอยู่หกเดือนหลังการลองผิดลองถูกเพื่อให้เซลล์พัฒนาและเติบโต จึงสามารถจำลองการทำงานของอวัยวะสร้างฟันดังกล่าวได้สำเร็จ

 

         ผลที่ได้รับจากการวิจัยครั้งนี้คือพวกเขาสามารถผลิตสารชนิดขึ้นมา ปัจจุบันวัสดุดังกล่าวถูกผลิตออกมาเป็นแผ่นขนาดราว 5 มิลลิเมตร และกำลังมองหาหนทางในการขยายกำลังการผลิตขึ้นเป็นจำนวนมาก เพื่อนำไปใช้ในเชิงอุตสาหกรรมต่อไป

 

 

         ประโยชน์ของวัสดุชนิดใหม่ ในวันที่เราต้องหันกลับมาเอาใจใส่ธรรมชาติ

 

         หลายท่านอาจสงสัยว่าเราจำเป็นต้องหาตัวเลือกวัสดุชนิดอื่นทดแทนหรือ เมื่อเคฟลาร์ทำหน้าที่ได้ดีเยี่ยมในหลายอุตสาหกรรม การเปลี่ยนแปลงย่อมนำไปสู่ค่าใช้จ่าย อีกทั้งไม่แน่ด้วยว่าวัสดุชนิดนี้จะมีคุณสมบัติโดดเด่นเทียบเท่าจนสามารถนำมาใช้แทน เหตุใดจึงต้องมองหาวัสดุอื่น?

 

         สาเหตุคือตัววัสดุเคฟลาร์เองมีคุณสมบัติเป็นพิษค่อนข้างสูง ต้องอาศัยวัสดุในการผลิตมาก และนำกลับมาใช้ใหม่ยาก แม้มีข้อได้เปรียบด้านความทนทานแต่หลังใช้งานเสร็จสิ้น การกำจัดวัสดุนี้ในฐานะขยะค่อนข้างใช้กรรมวิธีมาก ด้วยตัวคุณสมบัติของเคฟลาร์เอง และกลายเป็นอีกปัญหาทับซ้อนวิกฤติไมโครพลาสติกปนเปื้อนสิ่งแวดล้อม

 

         แต่เราเองก็ปฏิเสธไม่ได้เช่นกันว่าเคฟลาร์มีความสำคัญกับหลายภาคส่วน คงไม่ดีนักหากเราต้องเปลี่ยนผลิตภัณฑ์รักษาชีวิตผู้คน ตั้งแต่สลิงยกของ เชือกโรยตัว ชุดป้องกันของนักแข่งรถ เกราะกันกระสุน หรือยางรถยนต์ ด้วยเหตุผลว่าวัสดุที่ใช้ในตอนนี้ไม่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เพราะความปลอดภัยในชีวิตของผู้ใช้งานย่อมสำคัญสูงสุด

 

         นั่นคือเหตุผลให้การค้นหาวัสดุทดแทนมีความสำคัญ โดยเฉพาะวัสดุชนิดนี้ที่มีคุณสมบัติทางชีวภาพเพราะเกิดจากการผลิตของสิ่งมีชีวิต จะช่วยให้การกำจัดผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากวัสดุนี้ทำได้โดยไม่เป็นอันตราย ไม่ต้องมีวิธีจัดการพิเศษที่อาจส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อม เมื่อเดิมทีวัสดุนี้ก็เป็นส่วนหนึ่งของมันอยู่แล้ว

 

         กาพัฒนาวัสดุชนิดนี้หากสามารถนำไปทดแทนเคฟลาร์ได้จริง เราอาจไม่ต้องพึ่งพาเคฟลาร์อีกต่อไป อาจมีข้อจำกัดมากขึ้นแต่ผลิตภัณฑ์ที่เราใช้กันจะเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมยิ่งกว่า เข้ามาทดแทนการใช้วัสดุสังเคราะห์ที่เคยมีซึ่งจะช่วยลดปริมาณขยะไม่สามารถย่อยสลายได้ลงมากทีเดียว

 

 

         แน่นอนวัสดุชนิดนี้ยังอยู่ในขั้นพัฒนาจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงอีกมาก และถึงสามารถผลิตขึ้นมาเป็นจำนวนก็ต้องผ่านการทดสอบขนานใหญ่ จึงจะได้รับความไว้ใจให้ใช้งานแทนเคฟลาร์ แต่อย่างน้อยนี่ก็เป็นก้าวแรกในความพยายามอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม เพื่อไม่ให้การจัดการขยะเป็นปัญหาต่อธรรมชาติไปกว่านี้

 

         เพราะสุดท้ายผลกระทบที่เกิดขึ้นก็ต้องย้อนกลับหาเราในสักวันอยู่ดี

 

 

 

 

         ที่มา

 

         https://interestingengineering.com/new-super-strong-material-limpets?dicbo=v2-635e7882b0a91d649c8362d006428423

 

         http://www.rmutphysics.com/news/index.php?option=com_content&task=view&id=1611&Itemid=9