ด้วยการพัฒนาทางสังคมและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง ทำให้มีการค้นพบวัสดุใหม่ๆ ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวมากมาย และได้รับความนิยมอย่างรวดเร็ว
เมื่อมีการแนะนำวัสดุเหล่านี้ โดยเฉพาะในแวดวงวิชาชีพ ผู้คนมักจะเรียกวัสดุเหล่านี้ว่า “วัสดุที่มีอนาคตมากที่สุดแห่งศตวรรษที่ 21” หรือ “วัสดุที่จะกำหนดอนาคตของศตวรรษ” โดยเน้นย้ำถึงความสำคัญเชิงกลยุทธ์ในการกำหนดอนาคต เทคโนโลยีวัสดุใหม่.
แต่พวกมันสมควรได้รับชื่อเรียกเช่นนั้นจริงหรือ? ลองมาพิจารณาวัสดุเหล่านี้อย่างละเอียดและประเมินศักยภาพของพวกมันจากมุมมองของวัสดุใหม่กันดีกว่า
กราฟีน
ในปี 2004 แอนดรูว์ ไกม์ คอนสแตนติน โนโวเซโลฟ และเพื่อนร่วมงานประสบความสำเร็จในการแยกกราฟีนชั้นเดียวออกจากกราไฟต์แบบเกล็ดโดยใช้การลอกแบบเชิงกล
เหตุการณ์สำคัญนี้ถือเป็นการกำเนิดของสิ่งที่เรียกว่า “ราชาแห่งผลงานใหม่” และเปิดเผยคุณสมบัติทางไฟฟ้า ทางกล และทางความร้อนที่ยอดเยี่ยมของกราฟีน
กราฟีนเป็นผลึกสองมิติที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนที่เรียงตัวกันอย่างหนาแน่น
ปัจจุบันเป็นวัสดุนาโนที่บางที่สุดและแข็งแกร่งที่สุดชนิดหนึ่งเท่าที่รู้จักกัน
วัสดุนี้มีคุณสมบัติเด่นคือ มีความบางเป็นพิเศษ น้ำหนักเบาเป็นพิเศษ มีความยืดหยุ่นสูง มีความแข็งแรงสูงมาก นำไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม นำความร้อนได้ดี และมีความโปร่งใสทางแสงสูง
ด้วยคุณสมบัติที่ผสมผสานกันอย่างลงตัว เช่น การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูง ความต้านทานต่ำ ความแข็งแรงเชิงกลที่เหนือกว่า และการระบายความร้อนที่ดีเยี่ยม กราฟีนจึงมีศักยภาพมหาศาลในด้านอิเล็กทรอนิกส์ ทัศนศาสตร์ แม่เหล็ก ชีวการแพทย์ ตัวเร่งปฏิกิริยา การเก็บพลังงาน และเซ็นเซอร์
เป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางว่านี่คือวัสดุสำคัญที่จะกำหนดทิศทางการแข่งขันด้านเทคโนโลยีขั้นสูงในอนาคต
คาร์บอนไฟเบอร์
เส้นใยคาร์บอนเป็นวัสดุใหม่ที่โดดเด่นอีกชนิดหนึ่งในสาขาวัสดุขั้นสูง ผลิตได้โดยการนำเส้นใยอินทรีย์มาเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูงในบรรยากาศเฉื่อย โดยกำจัดองค์ประกอบที่ไม่ใช่คาร์บอนออกไป
มักเรียกกันว่า “ทองคำดำ” ในภาคอุตสาหกรรม เส้นใยคาร์บอนมีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กถึง 5-8 เท่า ในขณะที่มีน้ำหนักเพียงหนึ่งในสี่ของเหล็กเท่านั้น
มีคุณสมบัติเด่นคือมีความแข็งแรงสูง ความหนาแน่นต่ำ ทนต่ออุณหภูมิสูง และทนต่อการกัดกร่อน
เส้นใยคาร์บอนเป็นวัสดุที่นิยมใช้ในการเสริมแรงเพื่อลดน้ำหนัก และถือเป็นทรัพยากรเชิงกลยุทธ์สำหรับเศรษฐกิจของประเทศและอุตสาหกรรมป้องกันประเทศ
ท่อนาโนคาร์บอน
นับตั้งแต่การค้นพบในปี 1991 ท่อนาโนคาร์บอนยังคงเป็นหัวข้อวิจัยที่สำคัญอย่างต่อเนื่อง
นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกได้ศึกษาคุณสมบัติทางความร้อนและไฟฟ้าของวัสดุเหล่านี้อย่างกว้างขวาง ท่อนาโนคาร์บอนเกิดจากการม้วนแผ่นกราฟีนชั้นเดียวหรือหลายชั้น
สามารถจำแนกนาโนทิวบ์ได้เป็นนาโนทิวบ์ผนังเดี่ยว นาโนทิวบ์ผนังคู่ และนาโนทิวบ์ผนังหลายชั้น
เนื่องจากมีขนาดเล็กมาก คาร์บอนนาโนทิวบ์จึงสามารถเข้าไปในเซลล์ได้ โครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ทำให้มีจุดเด่นด้านความแข็งแรงเชิงกลสูง ความสามารถในการเคลื่อนที่ของพาหะสูงมาก ช่องว่างพลังงานที่ปรับได้ ประสิทธิภาพทางความร้อนที่ดีเยี่ยม คุณสมบัติทางแสงและไฟฟ้า และความเสถียรทางเคมี ข้อดีเหล่านี้รวมกันทำให้คาร์บอนนาโนทิวบ์มีศักยภาพสูงในการนำไปใช้ในด้านวัสดุทางวิศวกรรม อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การเก็บพลังงาน เครื่องตรวจจับแสง และการใช้งานทางการแพทย์
เพชร
เพชรเป็นวัสดุที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติที่มีความแข็งที่สุด โดยมีค่าความแข็งตามมาตราโมห์สอยู่ที่ 10
ในด้านการแปรรูปวัสดุ เพชรนั้นแทบจะหาวัสดุอื่นมาเทียบได้ยาก นอกจากนี้ เพชรยังมีค่าการนำความร้อนสูงที่สุดค่าหนึ่งที่พบในธรรมชาติ โดยมีค่าตั้งแต่ 200 ถึง 2200 วัตต์/(เมตร·เคลวิน) ยิ่งไปกว่านั้น เพชรยังเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างพลังงานกว้างมาก โดยมีช่องว่างพลังงาน 5.5 อิเล็กตรอนโวลต์
เพชรมีคุณสมบัติเด่นหลายประการ เช่น ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง ความเร็วอิ่มตัวสูง ความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวสูงมาก และการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม ค่าดัชนีคุณภาพของจอห์นสัน (Johnson's figure of merit) สำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ทำจากเพชรนั้นสูงกว่าซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ประมาณสิบเท่า
เมื่อเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลัง SiC และ GaN พัฒนาขึ้น ความต้องการใหม่ๆ ก็ผลักดันให้เกิดการพัฒนาอุปกรณ์ไฟฟ้าเจเนอเรชั่นต่อไป เพชรได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางว่าเป็นวัสดุที่มีศักยภาพมากที่สุดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง ความถี่สูง อุณหภูมิสูง และการสูญเสียต่ำ จึงทำให้มันได้รับฉายาว่า "เพชร" “สุดยอดเซมิคอนดักเตอร์”
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)
ปัจจุบัน ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามที่มีความก้าวหน้ามากที่สุด
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ได้รับความนิยมอย่างมาก ภายใต้กลยุทธ์ "คาร์บอนคู่" ระดับโลก ซิลิคอนคาร์ไบด์ได้ถูกบูรณาการอย่างลึกซึ้งกับยานยนต์พลังงานใหม่ พลังงานแสงอาทิตย์ และอุตสาหกรรมการจัดเก็บพลังงาน ส่งผลให้มักถูกอธิบายว่าเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว “กำลังออกเดินทาง”
เซรามิคขั้นสูง
เซรามิกขั้นสูง หรือที่รู้จักกันในชื่อ เซรามิกชั้นดี เซรามิกทางเทคนิค หรือเซรามิกประสิทธิภาพสูง เป็นหนึ่งในสามประเภทวัสดุแข็งหลัก ร่วมกับโลหะและพอลิเมอร์ เซรามิกขั้นสูงไม่ได้หมายถึงวัสดุเพียงชนิดเดียว แต่ครอบคลุมวัสดุหลากหลายประเภท ส่วนใหญ่มีคุณสมบัติทางกล ทางเสียง ทางแสง ทางความร้อน ทางไฟฟ้า และทางชีวภาพที่ยอดเยี่ยม
เซรามิกส์ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ วิศวกรรมชีวการแพทย์ และการผลิตอุปกรณ์ระดับสูง แม้ว่าเซรามิกส์จะถูกนำมาใช้ในหัวเทียนรถยนต์ตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 20 แล้ว แต่ศักยภาพของมันก็ยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง จากชิ้นส่วนกลไกแบบดั้งเดิมไปจนถึงยานยนต์พลังงานใหม่และอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ อนาคตของเซรามิกส์ขั้นสูงยังคงเปิดกว้างอย่างไม่มีที่สิ้นสุด
วัสดุตัวนำยิ่งยวด
วัสดุตัวนำยิ่งยวดแสดงความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตค่าหนึ่ง คุณสมบัติเด่นสามประการ ได้แก่ ความต้านทานเป็นศูนย์ ความเป็นแม่เหล็กแบบสมบูรณ์ และปรากฏการณ์การทะลุผ่าน ได้ดึงดูดความสนใจจากทั่วโลก การใช้งานที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดคือในระบบส่งไฟฟ้า เนื่องจากความต้านทานถูกกำจัดไป การสูญเสียพลังงานในการส่งจึงสามารถลดลงได้ถึง 10–201 ตัน ทำให้ประหยัดพลังงานได้อย่างมาก
แอโรเจล
แอโรเจลเป็นวัสดุแข็งน้ำหนักเบาที่มีโครงสร้างเครือข่ายรูพรุนระดับนาโน
มักเรียกว่า “ควันแข็ง” วัสดุเหล่านี้ประกอบด้วยอากาศมากถึง 99.81 ตัน มีคุณสมบัติเด่นคือ มีรูพรุนสูงมาก พื้นผิวจำเพาะขนาดใหญ่ ความหนาแน่นต่ำมาก และค่าการนำความร้อนต่ำมาก
กล่าวโดยสรุป แอโรเจลมีน้ำหนักเบามาก แข็งแรงมาก และเป็นฉนวนกันความร้อนสูง แอโรเจลถูกนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านตัวเร่งปฏิกิริยา ฉนวนกันความร้อน และการใช้งานขั้นสูงอื่นๆ จนได้รับชื่อเสียงว่าเป็น "วัสดุมหัศจรรย์"
โลหะเหลว
โลหะเหลว หมายถึง โลหะหรือโลหะผสมที่มีจุดหลอมเหลวใกล้เคียงหรือต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง
โลหะเหลวยังคงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องหรือสูงขึ้นเล็กน้อย ตัวอย่างที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ ปรอท (Hg), แกลเลียม (Ga), รูบิเดียม (Rb) และซีเซียม (Cs) โลหะเหลวมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและความร้อนที่ยอดเยี่ยม สูงที่สุดในบรรดาวัสดุเหลวที่รู้จักกัน พวกมันรวมคุณสมบัติของโลหะเข้ากับพฤติกรรมของของเหลว ทำให้เป็นวัสดุอเนกประสงค์ที่ใช้งานได้หลากหลาย
โครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOFs)
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOFs) ได้ปรากฏขึ้นมาเป็นวัสดุพรุนผลึกชนิดใหม่ ซึ่งได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางทั่วโลก แตกต่างจากวัสดุพรุนแบบดั้งเดิม เช่น ซีโอไลต์และถ่านกัมมันต์ MOFs เกิดจากการรวมตัวกันเองของไอออนโลหะหรือกลุ่มโลหะกับลิแกนด์อินทรีย์ผ่านพันธะโคออร์ดิเนชัน
โครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์นี้ทำให้ MOF มีระเบียบโครงสร้างสูงและสามารถปรับแต่งได้ ส่งผลให้มีคุณสมบัติและฟังก์ชันที่หลากหลาย
โลหะผสมน้ำหนักเบา
โลหะผสมไทเทเนียมมีความแข็งแรงสูง มีความยืดหยุ่นดี ทนต่อการกัดกร่อน และไม่เป็นแม่เหล็ก นอกจากโลหะผสมไทเทเนียมแล้ว โลหะผสมน้ำหนักเบายังรวมถึงโลหะผสมอะลูมิเนียมและแมกนีเซียมด้วย โลหะผสมอะลูมิเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์และเรือมานานหลายทศวรรษ โลหะผสมแมกนีเซียมซึ่งเป็นโลหะโครงสร้างที่เบาที่สุดที่ใช้ในทางปฏิบัติ ถือเป็นหนึ่งในวัสดุที่สำคัญที่สุดสำหรับการลดน้ำหนักของยานยนต์
โพลีอีเทอร์อีเทอร์คีโตน (PEEK)
โพลีอีเทอร์อีเทอร์คีโตน (PEEK) เป็นเทอร์โมพลาสติกประสิทธิภาพสูงแบบเส้นตรง กึ่งผลึก และเป็นวัสดุใหม่ที่เป็นตัวแทนในด้านพอลิเมอร์วิศวกรรมขั้นสูง โครงสร้างโมเลกุลหลักประกอบด้วยกลุ่มคีโตน พันธะอีเทอร์ และวงแหวนอะโรมาติก ทำให้เกิดโครงสร้างอะโรมาติกอย่างสมบูรณ์ PEEK มีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม เสถียรภาพทางความร้อน และความทนทานต่อสารเคมี นับตั้งแต่มีการเปิดตัว PEEK ได้รับการยกย่องว่าเป็นวัสดุใหม่ที่สำคัญสำหรับการใช้งานด้านการป้องกันประเทศและอวกาศ
ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (LiNbO₃)
ลิเธียมไนโอเบตเป็นสารประกอบของลิเธียม ไนโอเบียม และออกซิเจน เป็นผลึกเฟอร์โรอิเล็กทริกที่มีการโพลาไรเซชันแบบเกิดขึ้นเองสูง และมีอุณหภูมิคิวรีสูงสุดที่รู้จักในบรรดาเฟอร์โรอิเล็กทริก ลิเธียมไนโอเบตแสดงให้เห็นถึงผลกระทบทางไฟฟ้าเชิงแสงที่แข็งแกร่ง คุณสมบัติที่ปรับแต่งได้ ความเสถียรทางเคมี และช่วงการส่งผ่านแสงที่กว้าง
หากการสื่อสารด้วยแสงเปรียบเสมือน “ทางหลวง” ของพลังการประมวลผล AI แล้ว ตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางก็เปรียบเสมือน “สถานีชาร์จความเร็วสูง” มันเป็นตัวกำหนดความเร็ว ประสิทธิภาพ และความเสถียรของการส่งข้อมูลโดยตรง นอกเหนือจากการสื่อสารด้วยแสงและการประมวลผล AI แล้ว ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางยังแสดงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในด้าน LiDAR การสื่อสารควอนตัม และเลเซอร์ความเร็วสูงอีกด้วย
วัสดุควอนตัม
หากสารกึ่งตัวนำเป็น “สิ่งจำเป็น” วัสดุควอนตัมก็คืออนาคต พวกมันเป็นรากฐานของการคำนวณควอนตัม การสื่อสารควอนตัม และการตรวจวัดควอนตัม วัสดุอย่างเช่นฉนวนเชิงทอพอโลยีและวัสดุสองมิติถือว่ามีศักยภาพสูงมาก อย่างไรก็ตาม การนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ยังคงอยู่ห่างไกล ในอีกสิบปีข้างหน้า วัสดุควอนตัมมีแนวโน้มที่จะยังคงขับเคลื่อนด้วยการวิจัยเป็นหลัก โดยมีแอปพลิเคชันต้นแบบที่จำกัด
วัสดุสำหรับการพิมพ์ 4 มิติ
การพิมพ์ 4 มิติเป็นการต่อยอดจากการพิมพ์ 3 มิติ โดยทำให้โครงสร้างสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้เมื่อเวลาผ่านไป การเปลี่ยนแปลงนี้ถูกควบคุมผ่านการออกแบบวัสดุและสิ่งกระตุ้นภายนอก ปัจจุบัน เทคโนโลยีการพิมพ์ 4 มิติอยู่ในระดับความพร้อมต่ำถึงปานกลาง คาดว่าจะมีการพัฒนาครั้งสำคัญในด้านอิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นและอวกาศภายใน 5-10 ปีข้างหน้า วัสดุที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ โพลิเมอร์ที่จดจำรูปร่างได้ ไฮโดรเจล อีลาสโตเมอร์ผลึกเหลว และโลหะควอนตัม
โบโรฟีน
กราฟีนเป็นวัสดุสองมิติที่ประกอบด้วยอะตอมของโบรอนเพียงชั้นเดียว มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าแบบมีทิศทาง ความแข็งแรงดึงสูง และคุณสมบัติคล้ายโลหะ โครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์นี้ทำให้กราฟีนเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูงสำหรับการใช้งานในด้านอิเล็กทรอนิกส์และทัศนศาสตร์ ตัวอย่างเช่น ในด้านอิเล็กทรอนิกส์ กราฟีนถูกใช้ในทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กและเซ็นเซอร์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ ในด้านทัศนศาสตร์ กราฟีนถูกใช้ในโฟโตดีเทคเตอร์และตัวปรับสัญญาณแสงเพื่อเพิ่มความไวและความเร็วในการตอบสนองของอุปกรณ์ ในภาคพลังงาน กราฟีนถูกใช้ในขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่และซูเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและอายุการใช้งาน ในด้านการคำนวณควอนตัม กราฟีนถูกใช้ในคิวบิตและวงจรควอนตัมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความเสถียรของการคำนวณควอนตัม
กราไฟต์ชนิดพิเศษ
กราไฟต์ชนิดพิเศษเป็นกราไฟต์ที่มีความบริสุทธิ์สูง ความแข็งแรงสูง และความหนาแน่นสูง
เป็นทรัพยากรเชิงกลยุทธ์ที่หาอะไรมาทดแทนไม่ได้ในอุตสาหกรรมเกิดใหม่ มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านเซลล์แสงอาทิตย์ เซมิคอนดักเตอร์ แบตเตอรี่พลังงานใหม่ โลหะวิทยา กระบวนการทางเคมี เครื่องจักร และอิเล็กทรอนิกส์
ขอบคุณที่อ่านนะคะ หวังว่าบทความของฉันจะเป็นประโยชน์นะคะ แสดงความคิดเห็นไว้ด้านล่างได้เลยค่ะ หรือหากมีข้อสงสัยเพิ่มเติม สามารถติดต่อตัวแทนฝ่ายบริการลูกค้าออนไลน์ของ Zelda ได้ค่ะ
— โพสต์โดย เอมิลี่ เฉิน
