สมาชิก

     ติ-ชม-แนะนำ

     ส่งอี-เมล์ถึงเรา

     เว็บบอร์ด

     เล่มก่อน

     หน้าแรก

     ซีเอ็ดฯ

  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