นักวิจัยทำให้ “เพชรสร้างไฟฟ้า” ได้ หลังตำรามองว่าเป็นไปไม่ได้มานานกว่าศตวรรษ

ภาพประกอบเชิงแนวคิด เอฟเฟกต์ประกายไฟใช้เพื่อสื่อการเกิดแรงดันไฟฟ้า ไม่ใช่ภาพการทดลองจริง และไม่ได้หมายความว่าแผ่นเพชรสามารถสร้างสายฟ้าหรือจ่ายไฟกำลังสูงได้

เพชรเป็นวัสดุที่เราเคยชินกับคำว่า แข็ง ทน และนำความร้อนได้ดีมาก

แต่ถ้าถามว่า “เอาเพชรมางอ แล้วให้มันสร้างแรงดันไฟฟ้าได้ไหม?” คำตอบตามความเข้าใจทางวัสดุศาสตร์มานานคือ แทบไม่ได้

เหตุผลสำคัญคือโครงสร้างผลึกของเพชรมีความสมมาตรสูง ทำให้โดยทั่วไปเพชรไม่ได้ถูกจัดเป็นวัสดุ piezoelectric

แต่ทีมวิจัยจาก University of Hong Kong พบว่า เมื่อทำเพชรให้อยู่ในรูป เยื่อโพลีคริสตัลไลน์ที่บางระดับไมครอน แล้วดัดมัน สิ่งที่เพชรก้อนหนาทั่วไปไม่แสดง กลับสามารถตรวจวัดได้

แผ่นเพชรบางสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าจากการเสียรูปได้

ก่อนอื่น Piezoelectric คืออะไร?

อธิบายง่าย ๆ คือ วัสดุบางชนิดสามารถเปลี่ยน แรงกด แรงดึง หรือการดัด ให้กลายเป็นสัญญาณไฟฟ้าได้

เมื่อออกแรงกับวัสดุ โครงสร้างภายในอาจทำให้การกระจายประจุบวกและลบเปลี่ยนไป จนเกิดความต่างศักย์หรือแรงดันไฟฟ้าขึ้น

คุณสมบัติแบบนี้ถูกใช้ในอุปกรณ์หลายประเภท ตั้งแต่เซนเซอร์แรง เครื่องตรวจจับการสั่น ไปจนถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก

แต่เพชรผลึกเดี่ยวมีปัญหาตรงที่โครงสร้างสมมาตรมาก

เมื่อมีการเปลี่ยนตำแหน่งของประจุ ผลในทิศทางต่าง ๆ จึงมีแนวโน้มหักล้างกัน จนไม่เกิด piezoelectricity สุทธิในแบบที่วัสดุ piezoelectric ทั่วไปแสดง

จุดเปลี่ยนไม่ได้อยู่ที่ “เปลี่ยนเพชรเป็นวัสดุใหม่” แต่อยู่ที่ทำมันให้บางมาก

ทีมวิจัยใช้ polycrystalline diamond หรือเพชรที่ประกอบขึ้นจากผลึกเล็ก ๆ จำนวนมากเชื่อมต่อกัน

เมื่อทำให้เพชรชนิดนี้บางลงจนกลายเป็นเยื่อที่สามารถดัดได้ โครงสร้างบริเวณรอยต่อระหว่างผลึก หรือ grain boundaries เริ่มมีบทบาทสำคัญ

บริเวณเหล่านี้ไม่ได้มีความสมมาตรสมบูรณ์เหมือนผลึกเพชรภายในก้อนเดียว

เมื่อแผ่นถูกดัด ความไม่สมมาตรบริเวณรอยต่อสามารถทำให้การจัดเรียงประจุเปลี่ยนไป และเกิดแรงดันไฟฟ้าที่ตรวจวัดได้

ภาพอธิบายสรุปกลไกจาก “เพชรผลึกสมมาตร” ไปสู่ “แผ่นเพชรโพลีคริสตัลไลน์บาง” ซึ่งมีรอยต่อระหว่างผลึกจำนวนมาก และสามารถสร้างแรงดันเมื่อถูกดัดได้

ความหนาประมาณ 5 ไมโครเมตรให้ผลเด่นที่สุด

อีกจุดที่น่าสนใจคือ ผลทดลองไม่ได้บอกว่า “ยิ่งบางยิ่งสร้างไฟได้ดี” แบบตรงไปตรงมา

นักวิจัยทดสอบเยื่อเพชรหลายระดับความหนา และพบว่าตัวอย่างที่มีความหนาประมาณ 5 ไมโครเมตร ให้การตอบสนอง piezoelectric เด่นที่สุดในชุดการทดลอง

5 ไมโครเมตรบางมากจนเทียบได้กับเพียงเศษเสี้ยวของความหนาเส้นผมมนุษย์

งานวิจัยรายงานค่า piezoelectric voltage coefficient ประมาณ 82.2 mV·m/N สำหรับตัวอย่างที่ให้ผลเด่นดังกล่าว

ในการทดสอบการดัด ตัวอย่างหนาประมาณ 5 ไมโครเมตรยังสามารถสร้างแรงดันสูงสุดราว 70 มิลลิโวลต์ ภายใต้เงื่อนไขการทดลองหนึ่ง

ตัวเลขนี้จึงต้องอ่านให้ถูกว่าเป็น แรงดันระดับมิลลิโวลต์ ไม่ใช่กำลังไฟระดับที่จะเอาไปเสียบชาร์จโทรศัพท์โดยตรง

เพชรในแหวนเอามากดแล้วชาร์จมือถือได้ไหม?

ไม่ได้จากงานวิจัยนี้

ผลที่ค้นพบไม่ได้หมายความว่า เพชรธรรมดาทุกเม็ดสามารถสร้างไฟฟ้าได้เมื่อถูกกด

คุณสมบัติที่รายงานเกิดใน เยื่อเพชรโพลีคริสตัลไลน์ที่ถูกผลิตให้บางระดับไมครอนโดยเฉพาะ

ดังนั้น เพชรในแหวน เพชรก้อนใหญ่ หรือเพชรผลึกเดี่ยวทั่วไป ไม่ควรถูกนำไปรวมกับผลการทดลองนี้

แล้วถ้าไฟน้อยขนาดนี้ จะมีประโยชน์อะไร?

โลกของอุปกรณ์ขนาดจิ๋วไม่ได้ต้องการพลังงานมากเหมือนเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดใหญ่เสมอไป

เพชรเองยังมีจุดแข็งหลายด้าน ทั้งความแข็ง ความทนทาน การนำความร้อนสูง และความเสถียรทางเคมี

ถ้านำคุณสมบัติเหล่านี้มารวมกับ piezoelectricity ได้ ก็อาจต่อยอดไปสู่ เซนเซอร์แรงและแรงสั่นสะเทือน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่ หรือระบบเก็บพลังงานขนาดเล็กจากการเคลื่อนไหว

รวมถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์ขนาดจิ๋วบางประเภทในอนาคต

แต่คำว่า “อาจ” สำคัญมาก เพราะการใช้งานเหล่านี้ยังเป็น แนวทางต่อยอดจากงานวิจัย ไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ที่พร้อมจำหน่ายแล้ว

สิ่งที่น่าสนใจกว่าคำว่า “เพชรสร้างไฟ”

เรื่องนี้แสดงให้เห็นหลักสำคัญของวัสดุศาสตร์อย่างหนึ่งได้ดีมาก

วัสดุชนิดเดิม เมื่อเปลี่ยนขนาด รูปทรง และโครงสร้างภายใน อาจแสดงคุณสมบัติที่เราไม่เห็นในวัสดุก้อนใหญ่ได้

เพชรไม่ได้เปลี่ยนจากของแข็งธรรมดาเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอย่างมหัศจรรย์

แต่เมื่อนักวิจัยทำมันให้บางจนดัดได้ และใช้เพชรที่ประกอบจากผลึกเล็กจำนวนมาก รอยต่อที่เคยมองเป็นเพียงความไม่สมบูรณ์ของโครงสร้าง กลับกลายเป็นตัวสำคัญที่ทำให้เกิดคุณสมบัติใหม่

ดังนั้น ข่าวนี้ไม่ได้หมายความว่าเรากำลังจะมี “แบตเตอรี่เพชรจากการบีบเพชร”

แต่หมายความว่า วัสดุที่มนุษย์รู้จักมานานมากอย่างเพชร ยังสามารถเปิดเผยพฤติกรรมใหม่ได้ เมื่อเราเปลี่ยนวิธีสร้างและจัดโครงสร้างมันในระดับเล็กมากพอ