.. วัสดุศาสตร์: ความหมาย ความก้าวหน้า
อนาคต...
วัสดุ...คืออะไรกันแน่ ?
คำว่า วัสดุ เป็นคำที่เราได้ยินและใช้กันอย่างติดปากกันอยู่ทุกคน
แต่เราทราบกันจริง ๆ มั้ยว่า วัสดุคืออะไร?
เชื่อว่าทุกคนบอกได้ว่าวัสดุมีอะไรบ้าง
แต่อาจจะไม่สามารถอธิบายได้อย่างชัดเจนว่ามันคืออะไร
บางท่านอาจจะคิดว่าวัสดุคือของแข็งที่สามารถจับต้องได้
บางท่านอาจจะคิดว่ามันคือสสารชนิดหนึ่ง บางท่านอาจจะบอกว่าวัสดุก็คือ
โลหะ พลาสติก เซรามิก คอมโพสิต แก้ว
ต่างคนก็มีความคิดเห็นที่แตกต่างกันไป
แต่โดยจริงแล้ววัสดุที่เป็นที่สนใจของนักวัสดุศาสตร์จะหมายถึง
สสารที่มีสมบัติที่เหมาะสมต่อการนำมาใช้ให้เกิดประโยชน์ทางวิศวกรรมและผ่านกระบวนการผลิตเพื่อเป็นองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์หรือสิ่งของเครื่องใช้
ดังนั้นเราจึงอาจไม่เรียกทุกอย่างในโลกนี้ว่าวัสดุ ตัวอย่างเช่น
เราไม่เรียกต้นมะพร้าวว่าวัสดุ
แต่ถ้าเรานำเส้นใยที่ได้จากมะพร้าวมาปั่นเป็นเส้นใยแล้วปั่นเป็นเส้นเชือกแล้ว
นั่นคือวัสดุ
แล้ววัสดุศาสตร์ล่ะคืออะไร?
วัสดุศาสตร์ (Materials Science) คือการศึกษาที่เกี่ยวข้องกับวัสดุ
แต่ว่าศึกษาในแง่มุมไหนและอย่างไร? วัสดุศาสตร์ก็คือ
การนำความรู้ทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมในการศึกษาเพื่ออธิบายถึงความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบพื้นฐานของวัสดุ
และการจัดเรียงตัวในระดับอะตอมและสมบัติของวัสดุ
ซึ่งความเข้าใจดังกล่าวนี้จะนำไปตอบคำถามที่ว่าเมื่อนำไปผ่านกระบวนการผลิตแล้ว
ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีสมรรถนะในการใช้งานอย่างไร
ความรู้ที่นำมาใช้นั้นก็จะมีลักษณะเป็นสหวิทยาการคือการใช้ความรู้ในหลายๆ
แขนงมาร่วมกันในการทำงาน
และยิ่งในปัจจุบันที่วัสดุศาสตร์ได้เข้าไปมีบทบาทอย่างมากมายในเกือบจะทุกผลิตภัณฑ์
ดังนั้น วัสดุศาสตร์ในปัจจุบันจึงยิ่งจะต้องใช้ความรู้ในหลายแขนงวิชา
ไม่ว่าจะเป็นความรู้ทางฟิสิกส์ เคมี วิศวกรรม ชีววิทยา ไฟฟ้า
คณิตศาสตร์ หรือการแพทย์
เข้ามาร่วมกันเพื่อแก้ปัญหาหรืออธิบายสิ่งต่างๆ
ที่เกี่ยวเนื่องกับวัสดุและสมบัติที่สนใจ
งานของนักวัสดุศาสตร์หรือผู้ที่ทำงานทางด้านการศึกษาวัสดุจึงเป็นการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างของวัสดุ
ศึกษาทดสอบสมบัติในลักษณะต่างๆ ของวัสดุนั้น
ค้นหาวิธีที่จะสามารถสังเคราะห์หรือผลิตวัสดุนั้นขึ้นมา
และนำวัสดุนั้นไปเลือกใช้งานในการผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ
ได้อย่างเหมาะสมเพื่อนำไปสู่ประโยชน์และสมรรถนะในการใช้งานอย่างสูงสุด
วัสดุศาสตร์อยู่รอบตัวเรา!!
มนุษย์เราเคยชินกับการใช้งานวัสดุอยู่ทุกเมื่อเชื่อวัน
จนบางครั้งดูเหมือนเราอาจจะละเลยถึงความสำคัญของวัสดุ
เรามักจะให้ความสำคัญกับการใช้งานและประโยชน์โดยไม่คำนึงถึงเลยว่าเบื้องหลังของผลิตภัณฑ์เหล่านั้น
วัสดุศาสตร์มีส่วนสำคัญอย่างไรบ้าง เรามาดูกันง่ายๆ
ว่าตัวอย่างของวัสดุที่มีประโยชน์ต่อชีวิตประจำวันเรานั้นมีอะไรบ้าง
คงจะปฏิเสธไม่ได้ถึงความสำคัญของการสื่อสารในโลกยุคอินเทอร์เน็ตนี้
โลกทั้งใบกลับมาอยู่ใต้อุ้งมือเราผ่านทางระบบการสื่อสารความเร็วสูงต่าง
ๆ คอมพิวเตอร์มีการทำงานที่ความเร็วสูงขึ้นแต่กลับมีขนาดที่เล็กลง
โทรศัพท์มือถือรุ่นใหม่ๆ
ที่มีการทำงานที่เพิ่มมากขึ้นจนแทบจะไม่ต่างจากคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก
สิ่งเหล่านี้ล้วนแล้วแต่อาศัยความก้าวหน้าทางวัสดุ-ศาสตร์ไม่ว่าจะเป็น
วัสดุอิเล็กทรอนิกส์ วัสดุออปติก หรือวัสดุแม่เหล็ก
แม้การสื่อสารที่มีการพัฒนาขึ้นอย่างมาก
ทำให้สามารถติดต่อกันได้อย่างสะดวกและรวดเร็วแม้จะอยู่ห่างไกลกัน
อย่างไรก็ตามการเดินทางและการขนส่งคงเป็นสิ่งที่มีความจำเป็นอยู่ไม่ว่าจะเป็นการขนส่งสินค้าหรือการเดินทางเพื่อการท่องเที่ยว
เพื่อธุรกิจ หรือแม้แต่ภารกิจสำรวจอวกาศ
วัสดุศาสตร์เป็นอีกหนึ่งเบื้องหลังความสำเร็จที่เกิดขึ้นไม่ว่าจะเป็นกระสวยอวกาศ
รถไฟความเร็วสูง รถยนต์รุ่นใหม่ๆ
ที่มีความปลอดภัยและประหยัดเชื้อเพลิงมากขึ้น
วัสดุศาสตร์มีบทบาทสำคัญต่อการรักษาโรคและบำรุงสุขภาพของมนุษย์
วัสดุอุปกรณ์ทางการแพทย์ประเภทต่างๆ
ได้รับการวิจัยและพัฒนาขึ้นเพื่อใข้ในการรักษา ทดแทน แก้ไข ปัญหาต่างๆ
ในการรักษาโรค ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดได้แก่ คอนแทคเลนส์ กระดูกเทียม
ข้อต่อเทียม ระบบควบคุมการจ่ายยา แขน-ขาเทียม เป็นต้น
กีฬา
เป็นอีกหนึ่งกลุ่มที่เทคโนโลยีวัสดุเข้าไปมีบทบาทต่อการชิงชัยหรือการทำลายสถิติต่างๆ
อุปกรณ์กีฬาหลายประเภทใช้ความรู้ทางวัสดุศาสตร์เข้ามาช่วยในการพัฒนาให้สามารถที่จะช่วยเหลือผู้เล่นให้ใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพและปลอดภัยเพิ่มมากขึ้น
ไม่ว่าจะเป็นไม้เทนนิส ไม้กอลฟ์ ชุดว่ายน้ำ ไม้ค้ำถ่อ
รองเท้ากีฬา แม้แต่เมื่อคราวฟุตบอลโลก 2002 ที่ผ่านมา ลูกฟุตบอล
Fevernov
ที่ใช้ในการแข่งขันก็ได้รับการออกแบบและใช้เทคโนโลยีวัสดุเข้าช่วยเพื่อให้ได้ลูกบอลที่นักฟุตบอลสามารถควบคุมทิศทางการเตะอย่างที่ใจต้องการ
เสื้อผ้าอาภรณ์ที่เราสวมใส่กันอยู่ก็ได้รับความช่วยเหลือจากวัสดุศาสตร์ทั้งในแง่ของกระบวนการผลิต
และการปรับปรุงสมบัติของเส้นใยที่นำมาถักทอขึ้นเป็นผืนผ้าให้เหมาะสมสำหรับแต่ละการใช้งาน
ไม่ว่าจะเป็นการระบายอากาศและไม่ดูดซับเหงื่อสำหรับประเทศเมืองร้อน
การกักเก็บความร้อนและป้องกันความเย็นสำหรับประเทศเมืองหนาว
ความสามารถในการทนความร้อนสูงสำหรับพนักงานดับเพลิง
หรือแม้แต่ความสามารถในการทนต่อการเจาะทะลุของกระสุนสำหรับเสื้อเกราะบุคคลประเภทต่าง
ๆ
วัสดุศาสตร์...กับการพัฒนาประเทศ
ในส่วนของประเทศไทยแล้ว
แขนงวิชาทางด้านนี้ได้รับความสำคัญอย่างมากทั้งจากทางภาคการศึกษา
ภาครัฐและภาคอุตสาหกรรม ทางด้านภาคการศึกษานั้น
เป็นส่วนสำคัญในการที่จะผลิตบุคลากรที่มีความรู้ทางด้านวัสดุศาสต์ให้แก่ภาคอุตสาหกรรม
จำนวนของหลักสูตรการเรียนการสอนที่เกี่ยวข้องกับวัสดุศาสตร์มีเพิ่มมากขึ้นเป็นจำนวนมากทั้งในคณะวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์
ในส่วนของทางภาครัฐนั้น
เราก็ได้มีการจัดตั้งหน่วยงานทางที่มีหน้าที่ในการดำเนินการ สนับสนุน
และกำหนดนโยบายทางด้านวัสดุศาตร์โดยเฉพาะขึ้นมาในนามของศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ
(เอ็มเทค) ในสังกัดของกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี นอกจากนี้แล้ว
เรายังสามารถพบงานวิจัยและการสนับสนุนงานทางด้านวัสดุได้ในอีกหลายหน่วยงาน
ตัวอย่างเช่น สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศไทย
กรมวิทยาศาสตร์บริการ สภาวิจัยแห่งชาติ และสำนักกองทุนสนับสนุนงานวิจัย
เป็นต้น
ถ้ามองถึงภาคอุตสาหกรรมแล้ว
ภาคอุตสาหกรรมเริ่มมีการวิจัยพัฒนามากขึ้น
เริ่มมีการสร้างสมความรู้เพื่อที่จะสามารถยืนอยู่ด้วยขาของตัวเอง
พัฒนาผลิตภัณฑ์จากความรู้ของตนเองมากขึ้น
และแน่นอนว่าเทคโนโลยีวัสดุหรือวัสดุศาสตร์เป็นสิ่งหนึ่งที่มีส่วนช่วยอุตสาหกรรมการผลิตในประเทศเป็นอย่างมาก
ความรู้ทางด้านวัสดุศาสตร์สามารถช่วยอุตสาหกรรมในแง่ต่างๆ
ไม่ว่าจะเป็นการทำวิศวกรรมย้อนรอย การแก้ไขปัญหาในกระบวนการผลิต
การควบคุมคุณภาพ
หรือแม้แต่การพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่เพื่อให้เรายังคงสามารถแข่งขันได้ในตลาดโลก
ความท้าทายในอนาคต
วัสดุศาสตร์ยังคงไม่ถึงจุดอิ่มตัวในอนาคตอันใกล้นี้
ยังคงมีปัญหาและความท้าทายอีกมากมายที่ยังต้องใช้ความรู้ทางด้านวัสดุศาสตร์ในการแก้ปัญหา
ไม่ว่าจะเป็น ความตื่นตัวของการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม
ส่งผลให้ต้องมีการพัฒนาวัสดุที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมหรือวิธีการในการทำลายวัสดุหรือผลิตภัณฑ์ที่ไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น
ในอดีต
วัสดุศาสตร์เริ่มขึ้นมาจากการเลือกวัสดุที่มีอยู่เพื่อนำมาศึกษา ทดสอบ
ปรับปรุง เปลี่ยนแปลง
เพื่อนำมาใช้ให้เหมาะกับงานหรือผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ
บางครั้งเราต้องใช้เวลาในการเรียนรู้
ลองถูกลองผิดอยู่บ่อยครั้งเพื่อให้ได้สมบัติที่เหมาะสมต่อการใช้งาน
แต่วัสดุศาสตร์ในอนาคต
เรากำลังพูดถึงการเริ่มต้นจากการออกแบบและสร้างวัสดุขึ้นมาจากในระดับอะตอมหรือโมเลกุล
เราเริ่มมีความสามารถในการที่จะควบคุม ดัดแปลง ออกแบบ วัสดุประเภทต่างๆ
ไม่ว่าจะเป็นโลหะ พอลิเมอร์ เซรามิกส์ หรือคอมโพสิต ในระดับนาโนเมตร
ซึ่งถือได้ว่าเป็นความท้าทายที่น่าจับตามองเป็นอย่างยิ่งสำหรับศตวรรษที่
21 นี้ ทั่วโลกกำลังให้ความสนใจในศาสตร์ทางด้านนี้
งานวิจัยและศูนย์การวิจัยต่างๆ
ทั่วโลกกำลังเร่งการวิจัยเพื่อที่จะสามารถพัฒนาวัสดุนาโน
(nanomaterials)
ในอนาคตอันใกล้นี้วัสดุนาโนที่คาดว่าจะออกมาสู่การใช้งานจริงได้แก่
ระบบการจ่ายยาแบบแม่นยำสูง หุ่นยนต์นาโนสำหรับการผลิตในระดับจุลภาค
นาโนอิเล็กทรอนิกส์ นาโนคอมโพสิตสำหรับอากาศยานและยานพาหนะต่าง ๆ
เรามักจะพบว่าธรรมชาติเป็นสิ่งที่น่าอัศจรรย์ สิ่งต่าง ๆ
ในธรรมชาติมีความซับซ้อนทั้งในด้านโครงสร้างและการทำงาน
นักวัสดุศาสตร์จึงมีความพยายามในการที่พัฒนาวัสดุก้าวหน้าที่จะลอกเลียนการทำงานของสิ่งที่เราพบเห็นในธรรมชาติ
(biomimetic materials)
ซึ่งความรู้ที่ได้นี้จะนำไปสู่วัสดุกลุ่มใหม่ที่มีสมบัติแตกต่างไปจากเดิม
มีสมรรถนะในการทำงานมากขึ้น
วัสดุในอดีตมักจะทำหน้าที่อย่างใดอย่างหนึ่งที่มันถูกกำหนดให้โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลง
แต่วัสดุในอนาคตจะก้าวเข้าสู่การที่จะสามารถพัฒนาและปรับตัวต่อสภาพแรงกระตุ้นจากภายนอกที่มาสู่ตัววัสดุได้ด้วยตัวเอง
เพื่อการทำงานที่มีประสิทธิภาพสูงสุดและเหมาะสมต่อสภาวะแวดล้อมในการทำงานนั้นๆ
เราเรียกวัสดุกลุ่มนี้ว่า วัสดุฉลาด (smart materials)
อาจจะได้รับการออกแบบให้สามารถที่จะทำแจ้งเตือนสภาพของตัวมันเองให้เราทราบ
ปรับสภาพการทำงานให้เหมาะสมกับสภาวะในขณะนั้น
สามารถซ่อมแซมตัวเองเมื่อมีความเสียหายเกิดขึ้น
หรือแม้แต่การทำลายตัวเองเมื่อหมดความจำเป็นหรือหมดอายุการใช้งานแล้ว
แล้วคุณล่ะคิดหรือคาดหวังว่า วัสดุศาสตร์
จะมีความก้าวหน้าไปทางไหนและอย่างไร?
โดย..จินตมัย
สุวรรณประทีป
บทความเรื่องนี้เป็นฉบับย่อ
โปรดอ่านฉบับเต็มได้ในนิตยสาร UpDATE ฉบับ 185 มกราคม 2546
จาก http://update.se-ed.com/185/material.htm
|