การค้นพบครั้งแรกของโลก : พฤติกรรมการแตกแบบผ่าเกรนของโลหะในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็ง

การค้นพบครั้งแรกของโลก :
พฤติกรรมการแตกแบบผ่าเกรนของโลหะในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็ง

อาจารย์ ดร.เชษฐา พันธ์เครือบุตร 
ภาควิชาวิศวกรรมโลหการ
คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

โลหะเป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่เราใช้กันอย่างแพร่หลายในชีวิตประจำวัน และด้วยสมบัติที่ดีมากมายหลายด้านจึงทำให้ความต้องการใช้โลหะมีเพิ่มมากขึ้นมาโดยตลอด   ปัจจุบันเราได้นำโลหะมาใช้ประโยชน์ตั้งแต่เครื่องใช้ภายในบ้าน  ภาชนะและเครื่องครัว อุปกรณ์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องประดับ สิ่งก่อสร้าง และยานพาหนะต่าง ๆ เมื่อกล่าวถึงวัสดุโลหะเรามักจะนึกถึงความแข็งแรงทนทานของวัสดุในขณะที่เป็นของแข็งเป็นอันดับแรก เช่น ขาโต๊ะที่ทำจากเหล็ก หรือกรอบหน้าต่างอะลูมิเนียม    แต่ถ้าหากเรานำโลหะไปให้ความร้อนที่สูงมากพอ โลหะก็จะหลอมเป็นของเหลว หรืออาจอยู่ในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็ง  ซึ่งพฤติกรรมของโลหะรวมทั้งสมบัติต่าง ๆ ก็จะเปลี่ยนไปอย่างมาก สภาวะกึ่งเหลวงกึ่งแข็งเป็นสภาวะที่โลหะบางส่วนเป็นของแข็งและบางส่วนยังเป็นของเหลว (คล้ายกับเกร็ดน้ำแข็งในน้ำสเลอปี้)  โดยระหว่างกระบวนการขึ้นรูปโลหะให้เป็นรูปร่างที่เราต้องการ  เช่น การหล่อโลหะ การเชื่อมโลหะ หรือแม้แต่การบัดกรีลวดโลหะ ก็ไม่สามารถหลีกเลี่ยงสภาวะกึ่งเหลวงกึ่งแข็งของโลหะได้ และเนื่องจากพฤติกรรมของวัสดุในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็งนี้ ส่งผลอย่างมากต่อสมบัติของวัสดุระหว่างการใช้งาน เราจึงจำเป็นที่จะต้องศึกษาและเข้าใจถึงพฤติกรรมของโลหะให้มากขึ้นเพื่อให้สามารถผลิตโลหะที่มีความแข็งแรงทนทานกว่าเดิม

อาจารย์ ดร.เชษฐา พันธ์เครือบุตร  อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมโลหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เป็นผู้หนึ่งที่ให้ความสนใจศึกษาถึงพฤติกรรมของวัสดุต่างๆเพื่อช่วยแก้ปัญหาเชิงวิศวกรรม   และได้มีโอกาสร่วมวิจัยกับกลุ่มนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ประเทศอังกฤษ จนสามารถค้นพบพฤติกรรมการแตกแบบผ่าเกรนของโลหะในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็งได้เป็นครั้งแรก  อาจารย์เล่าให้ฟังว่า เนื่องด้วยโลหะมีความทึบแสงทำให้เราไม่สามารถสังเกตุพฤติกรรมภายในเนื้อโลหะได้ด้วยตาเปล่า ประกอบกับอุณหภูมิที่สูงระหว่างที่โลหะมีสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็ง (เช่น โลหะผสมอะลูมิเนียม-ทองแดงต้องใช้อุณหภูมิ 570 °C หรือเกือบ 6 เท่าของอุณหภูมิที่เราใช้ต้มน้ำ) ทำให้การตรวจสอบพฤติกรรมของโลหะมีความซับซ้อนอย่างมาก  ดังนั้นในการศึกษาจึงต้องเริ่มจากการออกแบบ ติดตั้งและทดสอบอุปกรณ์เลเซอร์ที่ให้ความร้อนกับโลหะ รวมทั้งชุดเครื่องมือที่จะให้แรงกระทำขณะที่โลหะอยู่ในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็ง  หลังจากนั้นจึงนำอุปกรณ์ทั้งหมดไปทำการทดลองที่ศูนย์วิจัยแสงซินโครตรอน Diamond Light Source ของประเทศอังกฤษ และศูนย์วิจัยแสงซินโครตรอน Swiss Light Source ประเทศสวิสเซอร์แลนด์    ในระหว่างการทดลอง พฤติกรรมของโลหะในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็งที่ระดับจุลภาคจะถูกบันทึกไว้ด้วยเทคนิคการถ่ายภาพโครงสร้าง 3 มิติ ด้วยรังสีเอ็กซ์ (x-ray tomographic microscopy) ซึ่งเทคนิคการถ่ายภาพนี้มีลักษณะเช่นเดียวกับการทำ CT-scan ที่โรงพยาบาล ที่แพทย์สามารถวินิจฉัยลักษณะข้อบกพร่องภายในร่างกายของเราเป็น 3 มิติ  

จากการวิเคราะห์ข้อมูลและประมวลผลทางคอมพิวเตอร์ของผลการศึกษาพฤติกรรมของโลหะในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็งในขณะที่ได้รับแรงกด ทีมวิจัยพบว่า เกรน (grain) หรือ ก้อนผลึกของแข็ง ที่เรียงตัวกันและถูกล้อมรอบด้วยโลหะหลอมเหลว (ของแข็งทั้งหมดประมาณ 75% โดยปริมาตร) จะเคลื่อนที่ หมุน ขนกัน และพยายามจัดเรียงตัวกันเมื่อได้รับแรงกดกระทำในช่วงแรก (ยกตัวอย่างคล้ายกับเราใช้นิ้วจิ้มลงไปบนพื้นทรายที่ชุ่มน้ำ เม็ดทรายแต่ละเม็ดก็จะเคลื่อนที่ใกล้กันมากขึ้นและจัดเรียงตัวกันตามแรงที่ได้จากนิ้วเรา)   แต่เมื่อแรงกดที่กระทำสูงขึ้น ทีมวิจัยพบว่า ก้อนผลึกของแข็งจะแตกแบบผ่าเกรน กลายเป็นก้อนผลึกของแข็งที่มีขนาดเล็กลง ซึ่งการแตกแบบผ่าเกรนนี้ก็จะช่วยให้การจัดเรียงตัวใหม่ของก้อนผลึกของแข็งทำได้ดีขึ้น  ทั้งยังทำให้ภายในเนื้อโลหะประกอบด้วยก้อนผลึกของแข็งที่มีขนาดเล็กจำนวนมากขึ้นกว่าเดิมด้วย ซึ่งการทำให้เกรนขนาดเล็กลงนี้จะทำให้ความแข็งแรงของโลหะดีขึ้นเมื่อนำไปใช้งาน   นอกจากนั้นยังพบว่าแรงที่ใช้ทำให้ก้อนผลึกแตกแบบผ่าเกรน ยังต่ำมากเมื่อเทียบกับแรงที่ต้องใช้เมื่อต้องการยืดโลหะเมื่อเป็นของแข็ง

การเข้าใจถึงพฤติกรรมการแตกแบบผ่าเกรนของโลหะในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็ง จะช่วยให้เราสามารถออกแบบกระบวนการขึ้นรูปโลหะในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็ง (semi-solid processing) ที่ดีขึ้นได้ในอนาคต เพื่อให้สามารถนำไปใช้ในการผลิตชิ้นส่วนต่างๆที่มีความแข็งแรงมากขึ้น เช่น อุตสาหกรรมชิ้นส่วนยานยนต์ นอกจากนั้นวิธีการนี้ยังจะช่วยประหยัดพลังงานความร้อนที่ต้องใช้ในการหลอมโลหะอีกด้วย

จากการศึกษาวิจัย และได้ค้นพบพฤติกรรมการแตกแบบผ่าเกรนของโลหะในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็งเป็นครั้งแรก งานวิจัยนี้จึงได้รับการตีพิมพ์ผลงานในวารสารวิชาการ Nature Communications ซึ่งเป็นวารสารในกลุ่ม Nature ที่มี Impact factor = 11.47  (อ้างจาก 2014 Journal Citation Reports® Science Edition -Thomson Reuters) ซึ่งจัดเป็นอันดับ 3 ในกลุ่มวารสารประเภท Multidisciplinary Sciences  ต่อจากวารสาร Nature และ วารสาร Science

อาจารย์ ดร.เชษฐา (ซ้ายสุด) ร่วมกับกลุ่มวิจัยและเครื่องมือที่สร้างขึ้น
เพื่อศึกษาสมบัติของวัสดุในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็ง

พฤติกรรมการแตกแบบผ่าเกรนของโลหะในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็ง
ภาพแถวบนแสดงภาพถ่ายที่ตรวจพบลำดับการเกิดการแตกแบบผ่าเกรนของโลหะในสภาวะกึ่งเหลวกึ่งแข็ง เรียงจาก a ถึง d
และภาพแถวล่างแสดงแบบจำลองที่อธิบายพฤติกรรมที่เกิดขึ้น