เพชรแข็งที่สุดจริงไหม? ทำความเข้าใจความแข็ง แรงดึง และความหนาแน่น

ตอนเด็ก ๆ ครูสอนว่าเพชรคือสิ่งที่แข็งที่สุดในโลก แต่พออ่านเรื่องกราฟีน เพชรหกเหลี่ยม หรือดาวนิวตรอน หลายคนอาจเริ่มสงสัยว่าแชมป์เปลี่ยนไปแล้วหรือเปล่า

คำตอบต้องเริ่มจากว่า เรากำลังวัดอะไร เพราะความแข็งที่หมายถึงการทนรอยขีดข่วน ไม่ใช่เรื่องเดียวกับการทนแรงดึงหรือความหนาแน่น จะจับทุกอย่างมาเรียงอันดับเดียวกันเลยก็ไม่ได้ครับ

เริ่มจากมาตราโมห์สที่เราเคยเรียน

มาตราโมห์ส เปรียบเทียบความแข็งของแร่จากความสามารถในการขีดข่วนกัน โดยมีแร่อ้างอิงตั้งแต่ระดับ 1 คือทัลก์ ไปจนถึงระดับ 10 คือเพชร

ตัวอย่างที่คุ้นชื่อกันคือควอตซ์ระดับ 7 โทแพซระดับ 8 และคอรันดัม ซึ่งรวมถึงทับทิมกับไพลิน อยู่ที่ระดับ 9 ส่วน เพชร อยู่บนสุดของมาตรานี้ที่ระดับ 10 GIA 4Cs

แต่ตัวเลขไม่ได้เพิ่มแบบขั้นละเท่า ๆ กัน คอรันดัมระดับ 9 จึงไม่ได้หมายความว่าแข็งรองจากเพชรเพียงนิดเดียว และเพชรระดับ 10 ก็ไม่ได้แปลว่าแข็งเป็นสองเท่าของแร่ระดับ 5

อีกเรื่องที่ต้องแยกให้ออกคือ เพชรทนรอยขีดข่วนได้ดีมาก แต่ยังบิ่นหรือแตกได้เมื่อถูกกระแทกแรง ๆ ความแข็งกับความเหนียวต้านการแตกจึงเป็นคนละสมบัติ ซื้อแหวนเพชรมาแล้วก็ยังต้องระวังการกระแทกครับ GIA 4Cs

แล้ววัสดุที่ว่ากันว่าแข็งกว่าเพชรล่ะ?

ชื่อที่มักถูกยกมาเทียบคือเวิร์ตไซต์โบรอนไนไตรด์ และ ลอนสเดลไลต์ หรือเพชรที่มีโครงสร้างผลึกแบบหกเหลี่ยม

งานวิจัยในวารสาร Physical Review Letters ปี 2009 ใช้การคำนวณศึกษาการเปลี่ยนโครงสร้างภายใต้แรงกด และเสนอว่าวัสดุเหล่านี้อาจมีความต้านทานต่อการกดสูงกว่าเพชรภายใต้เงื่อนไขที่ศึกษา สำหรับลอนสเดลไลต์ งานดังกล่าวรายงานค่าความแข็งแรงต่อการกดที่สูงกว่าเพชร 58% Phys. Rev. Lett.

ตัวเลขนี้ต้องอ่านพร้อมเงื่อนไข เพราะเป็นผลการคำนวณ ไม่ใช่ข้อสรุปว่าลอนสเดลไลต์ทุกชิ้นผ่านการทดลองแล้วว่าแข็งกว่าเพชร 58% ในทุกทิศทางและทุกวิธีวัด

วิทยาศาสตร์จึงมีรายละเอียดมากกว่าคำว่า “แชมป์เก่าถูกโค่น” และยังไม่ควรนำผลจากเงื่อนไขหนึ่งไปสร้างอันดับความแข็งแบบตายตัว

กราฟีนแข็งแกร่ง แต่กำลังวัดอีกสมบัติหนึ่ง

กราฟีน เป็นแผ่นคาร์บอนบางเพียงหนึ่งชั้นอะตอม งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science ปี 2008 วัดสมบัติของแผ่นกราฟีน และรายงานค่าความแข็งแรงภายในของวัสดุประมาณ 130 กิกะปาสคาล โดยเกี่ยวข้องกับแผ่นที่ไม่มีตำหนิ PubMed

ฟังแล้วน่าทึ่ง แต่ค่าความแข็งแรงนี้ไม่ใช่คะแนนการทนรอยขีดข่วนแบบมาตราโมห์ส จึงใช้บอกไม่ได้ว่ากราฟีนต้องอยู่เหนือเพชรในอันดับเดียวกัน

ส่วนใยแมงมุมที่ต้นฉบับยกมาเปรียบเทียบ ก็ต้องระบุให้ชัดว่ากำลังพูดถึงการทนแรงดึง ความเหนียว หรือสมบัติเมื่อเทียบต่อน้ำหนัก การใช้คำว่า “แข็งกว่า” เพียงคำเดียวทำให้ผู้อ่านเข้าใจผิดได้ง่าย

ดาวนิวตรอนหนาแน่นมาก แต่ไม่ใช่อันดับความแข็งของแร่

ขยับจากโลกออกไปในอวกาศ เราจะเจอ ดาวนิวตรอน ซึ่งเป็นวัตถุที่มีความหนาแน่นสูงมาก เกิดจากแกนดาวฤกษ์ยุบตัว โดยเหลือวัตถุขนาดเล็กที่อัดมวลมหาศาลไว้ภายใน

NASA เปรียบเทียบให้เห็นภาพว่า สสารดาวนิวตรอนปริมาตรหนึ่งช้อนชาอาจมีมวลประมาณหนึ่งพันล้านตัน ตัวเลขนี้ใช้สื่อถึงความหนาแน่นสุดขั้วของมัน NASA

แต่ความหนาแน่นคือมวลต่อปริมาตร ไม่ใช่ความสามารถในการทนรอยขีดข่วน จึงนำตัวเลขนี้มายืนยันว่าดาวนิวตรอนเป็น “สิ่งที่แข็งที่สุดในจักรวาล” ไม่ได้

ถ้าจะซื้อแหวน เพชรยังเป็นอัญมณีที่ทนรอยขีดข่วนได้ยอดเยี่ยม แต่ถ้าจะเปรียบเทียบวัสดุเพื่อใช้งาน ต้องดูด้วยว่าจะให้มันทนแรงดึง ทนการกด หรือทนการแตก

ครั้งหน้าเห็นคำว่า “แข็งกว่าเพชร” ลองถามต่ออีกนิดว่า แข็งแบบไหน และวัดอย่างไร แค่นี้ก็ช่วยแยกเรื่องที่น่าทึ่งออกจากการเปรียบเทียบที่ชวนเข้าใจผิดได้แล้วครับ