แท่งเรืองแสง

โดย อาจารย์ บุญรักษ์ กาญจนวรวณิชย์  ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ  ฟิสิกส์ราชมงคลขอขอบคุณครับ

คุณเคยซื้อ หรือเคยเห็นของเล่นที่เป็นแท่งเรืองแสง (light sticks) ที่แฟน ๆ ศิลปินเพลงทั้งหลายชูขึ้นแล้วโบกไป ตามจังหวะ เพลงในคอนเสิร์ตต่าง ๆ ไหม??? บางท่านเคยซื้อมาเล่นแล้ว แต่หลายท่านไม่เคย ท่านที่เคยซื้อ เคยเล่นก็อาจสงสัยต่อว่า ข้างในเขาใส่สารอะไรไว้??? ทำไมหลังจากที่งอแท่งเรืองแสงไปสักครู่ แล้วจึงเกิดการเรืองแสงได้???

ไม่ต้องสงสัยอีกต่อไป หากท่านได้อ่าน เรื่องนี้ต่อจนจบ

>> กว่าจะเป็นแท่งเรืองแสง

............เรารู้จักหิ่งห้อยดี เพราะมันเป็นแมลงพิเศษแตกต่าง จากแมลงอื่น ตรงที่สามารถ เรืองแสงได้ นักวิทยาศาสตร์ พยายามศึกษากลไกการเรืองแสงของหิ่งห้อย และพยายามเลียนแบบมานานแล้ว ทุกวันนี้ นักวิทยาศาสตร์รู้แล้วว่า หิ่งห้อยเรืองแสงได้จากปฏิกิริยา การสลายตัวของสารลูซิเฟอร์ริน (luciferin) โดยมีเอนไซม์ลูซิเฟอร์เรส (luciferase) เป็นตัวกระตุ้นหรือ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) ให้เกิดเร็วขึ้น
............และนอกจากหิ่งห้อยแล้วนักวิทยาศาสตร์ยังพบว่าสิ่งมีชีวิต ที่อาศัยในทะเลลึกหลายชนิด เห็ดราบางชนิด และแบคทีเรียบางชนิด ก็มีความสามารถในการเรืองแสงเช่นกัน และเรียกปรากฏการณ์การเรืองแสงของสิ่งมีชีวิตว่า การเรืองแสงทางชีวภาพ (Bioluminescence)

หลังจากที่มนุษย์หลงใหลกับแสงเรือง ๆ ของหิ่งห้อยอยู่นาน ในช่วงทศวรรษที่ 1960 นักวิทยาศาสตร์ ก็เริ่มทดลองเพื่อหาทางเลียนแบบการเรืองแสงแบบหิ่งห้อย ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ทราบดีว่า วัตถุเรืองแสงได้เพราะโมเลกุลของสารหรือวัตถุนั้นสามารถถูกกระตุ้นโดยแหล่งพลังงานจากภายนอก (แสง ไฟฟ้า ความร้อน ปฏิกิริยาเคมี) และโมเลกุลของวัตถุหรือสารนั้นต้องสามารถปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสงได้ และการเลียนแบบการเรืองแสงของหิ่งห้อยที่เหมาะสมที่สุดและ ก็ควรเป็นการอาศัยปฏิกิริยาเคมีเป็นแหล่งพลังงานของการเรืองแสงซึ่งเรียกว่า การเรืองแสงทางเคมี (Chemiluminescence) ปัญหาของกระบวนการเรืองแสงทางเคมีคือ การเลือกใช้สารเคมีที่เหมาะสม สำหรับการทำปฏิกิริยาเคมีกัน เพื่อให้ปฏิกิริยาเคมีนั้นเป็นแหล่งพลังงานสำหรับกระตุ้น ให้สารเคมีอีกชนิดปลดปล่อยพลังงานแสงออกมาโดยไม่มีความร้อนออกมาด้วย ขณะนั้นมีนักเคมีคนหนึ่งที่ทำงานอยู่ในห้องปฏิบัติการของ Bell ชื่อ เอ็ดวิน เอ. แชนดรอส (Edwin A. Chandross) ได้ทำการทดลองเพื่อหาวิธีอธิบายปรากฏการณ์การเรืองแสงทางเคมี โดยเอ็ดวินเลือกใช้สารเปอร์ออกไซด์ (peroxide) ในการทดลอง เนื่องจากสารเปอร์ออกไซด์สามารถปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมาในหลาย ๆ ปฏิกิริยา หลังจากการเปลี่ยนแปลงปรับปรุงการทดลองอยู่นาน เอ็ดวินก็พบว่า เมื่อเขาผสมสารออกซาลิลคลอไรด์ (oxalyl chloride) กับสารไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (hydrogenperoxide) และสารเรืองแสง (fluorescent dye) แล้ว มีการเรืองแสงทางเคมีเกิดขึ้น ซึ่งการทดลองนี้เป็นเหมือนกับรากฐาน ของงานวิจัยด้านการเรืองแสงทางเคมียุคใหม่เลยทีเดียว แต่สำหรับเอ็ดวินแล้ว เขากลับไม่ได้ตระหนักถึงความสำคัญของการทดลองครั้งนี้จึงไม่ได้จดสิทธิบัตรเอาไว้

............ขณะเดียวกันไมเคิล เอ็ม. เราฮัท (Michael M. Rauhut) และทีมงานซึ่งเป็นนักเคมีของ American Cyanamid พบการทดลองสารออกซาลิลคลอไรด์ของเอ็ดวินเข้า จึงนำไปทดลอง และศึกษาหาสารอื่น ๆ เพื่อผลิตแสงจากปฏิกิริยาเคมีออกมาให้ได้สว่างพอจะนำมาใช้งานได้จริง (ทั้งนี้เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์พบว่าประสิทธิภาพการเรืองแสงของหิ่งห้อย วัดจากจำนวนโมเลกุลที่เกิดปฏิกิริยาเคมีแล้วสามารถปลดปล่อยพลังงานแสงออกมาได้มีจำนวนถึงร้อยละ 80 ขณะที่การทดลองของเอ็ดวินนั้นวัดค่าประสิทธิภาพการเรืองแสงออกมาได้เพียงร้อยละ 0.1 เท่านั้น) ดังนั้นไมเคิล และทีมงานจึงร่วมกันหาและพัฒนาสารประกอบในตระกูลออกซาเลตเอสเทอร์ (oxalate ester series) ในที่สุดทีมงานพบว่าเมื่อใช้สารฟีนิลออกซาเลตเอสเทอร์ (phenyl oxalate ester) ผสมกับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และสารให้สี (dye) ให้ประสิทธิภาพการเรืองแสงออกมาได้ประมาณ 5% ซึ่งแม้จะยังห่างจากหิ่งห้อยมาก แต่มันก็ให้แสงสว่างเพียงพอสามารถนำมาใช้งานได้จริง และไมเคิลกับทีมงานได้ตั้งชื่อของผสมนี้ว่า "ไซยาลัม (Cyalume)" ต่อมาชื่อนี้ก็กลายเป็นชื่อทางการค้าของผลิตภัณฑ์เรืองแสงทางเคมีของบริษัทไป

 >> กลไกการเรืองแสง

............ แท่งเรืองแสงที่จำหน่ายในท้องตลาดนั้น จะมีลักษณะรูปร่างหลายแบบไม่เฉพาะ แต่รูปทรงกระบอกเท่านั้น ภายในทรงกระบอกนอกจากจะบรรจุของเหลว ของสารฟีนิลออกซาเลตเอสเทอร์ และสารเรืองแสง (fluorescent dye) สีต่าง ๆ เอาไว้แล้ว ยังบรรจุกระเปาะแก้วที่มีสารไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ไว้ด้วย เมื่องอแท่งเรืองแสงให้กระเปาะแก้วที่อยู่ภายในหัก สารไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ในกระเปาะแก้วจะไหลออกมา ทำปฏิกิริยากับสารฟีนิลออกซาเลตเอสเทอร์ ระหว่างที่ปฏิกิริยาเคมีของสารทั้งสองชนิดดำเนินไปนั้น จะมีการปลดปล่อยพลังงานจำนวนหนึ่งออกมา พลังงานที่เกิดขึ้นจะไปกระตุ้นโมเลกุล ของสารเรืองแสงที่บรรจุ อยู่ในแท่งเรืองแสงให้เกิดปรากฏการณ์เรืองแสงขึ้น ทั้งหมดนี้คือกลไกการเรืองแสงของแท่งเรืองแสงอย่างง่าย ๆ (จากปฏิกิริยาเคมีที่ดูยุ่งยาก) หากพูดอีกนัยหนึ่งก็คือ

............ สารฟีนิลออกซาเลตเอสเทอร์และ สารไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ทำปฏิกิริยากัน แล้วได้พลังงานออกมาให้สารเรืองแสงนำไปใช้ในการเรืองแสงนั่นเอง ประสิทธิภาพของแท่งเรืองแสงนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสารเคมีที่บรรจุอยู่ภายใน แต่ในสภาวะการณ์ทั่วไปแท่งเรืองแสงจะสามารถให้แสงได้นานหลายชั่วโมง (เฉลี่ยประมาณ 8 ชั่วโมง) แต่ทั้งนี้หากนำแท่งเรืองแสงไปแช่น้ำร้อนก่อนใช้งาน จะทำให้แท่งเรืองแสงสามารถส่องสว่างได้เร็ว และสว่างขึ้น แต่ระยะเวลาการเรืองแสงจะน้อยลง เนื่องจากความร้อนจะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีมีมากขึ้นและเร็วขึ้น ในทางตรงกันข้ามหากต้องการให้แท่งเรืองแสงส่องสว่างได้นานมากขึ้น ก็ควรนำแท่งเรืองแสงไปแช่เย็นก่อนใช้งานเพื่อหน่วงปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นซึ่งจะทำให้แท่งเรืองแสงให้แสงได้นานกว่าปกติ


>> ความรู้ประกอบ
กลไกการเรืองแสง

  • เมื่อสารไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เข้าทำปฏิกิริยาเคมี กับสารออกซาลิกทาเลตเอสเทอร์ได้สารฟีนอล และสารกึ่งเสถียรรูปร่างเป็นวง (cyclic intermediate substance) ชื่อ 1,2-ไดออกซีเทน-3,4-ไดโอน ซึ่งสารกึ่งเสถียรนี้สามารถสลายตัวต่อไปเป็น คาร์บอนไดออกไซด์
     
  • ระหว่างการสลายตัวของสารกึ่งเสถียรไปเป็น คาร์บอนไดออกไซด์นี้ มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาเพื่อ ใช้กระตุ้นสารเรืองแสง เมื่อสารเรืองแสงรับพลังงานเข้าไป สารเรืองแสงจะอยู่ในสภาวะถูกกระตุ้น (excited state) ซึ่งเมื่อสารเรืองแสงกลับลงมาอยู่ในสภาวะปกติ (ground state) มันจะคายโฟตอนออกมาในรูปของแสงที่ตามองเห็นได้ ทำให้เราเห็นแท่งเรืองแสงเกิดการเรืองแสงออกมา

>> ประโยชน์จากแท่งเรืองแสง
แท่งเรืองแสงนอกจากจะเป็นของเล่นที่แฟนเพลงนิยมซื้อมาโบก ตามจังหวะเพลงในคอนเสิร์ตของศิลปินต่าง ๆ แล้ว ยังสามารถนำไปใช้งานอื่น ๆ ได้ ไม่ว่าจะเป็นงานใต้น้ำ หรือใช้ในเวลาที่ฝนตก ลมพัดแรง ฯลฯ เนื่องจากแท่งเรืองแสง ไม่ต้องใช้ถ่านไฟฉาย และมีความปลอดภัยขณะใช้ เนื่องจากแสงสว่างที่เกิดไม่มีความร้อน สารเคมีที่ใช้ไม่มีสมบัติ ติดไฟ และไม่มีสมบัติระเบิดได้ ไม่เป็นพิษ

>>
การพัฒนาแท่งเรืองแสง

แน่นอนว่าขณะนี้มีความพยายามในการวิจัย เพื่อพัฒนาประสิทธิภาพการเรืองแสงทางเคมีให้สูงขึ้น โดยบริษัท OminGlow กล่าวว่า ขณะนี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพ การเรืองแสงให้สูงขึ้นถึงระดับ 23% ได้แล้ว แม้ว่าตัวเลขนี้จะยังห่างไกลจากประสิทธิภาพการเรืองแสง ของหิ่งห้อย (80%) มากโข แต่ก็นับว่าเป็นความก้าวหน้าอีกระดับของการพัฒนา และนอกเหนือจากความพยายามพัฒนาประสิทธิภาพการเรืองแสงแล้ว สีสรรที่หลากหลายมากขึ้น ก็เป็นอีกสิ่งหนึ่งที่ผู้ผลิตอุปกรณ์เรืองแสงทางเคมีมุ่งมั่นพัฒนา โดยขณะนี้แท่งเรืองแสงมีแสงสีแดง สีน้ำเงิน สีม่วง สีเขียว และสีเหลือง