หลายคนได้ยินอาจสงสัย ‘เพชรนอกโลก’ จะมาช่วยไขปริศนาการสร้างเพชรในห้องแล็บได้อย่างไร แถมยังไม่ผ่านความร้อนด้วยนะ มันจะเป็นไปได้หรือ แต่มันก็เป็นไปได้แล้ว มีห้องปฏิบัติการแห่งหนึ่งเลียนแบบกระบวนการที่ก่อให้เกิดเพชรนอกโลกจนสำเร็จ และยังได้ผลเป็นเพชรหายากซะด้วย!
ตามธรรมชาติแล้ว ‘เพชร’ ใช้เวลาก่อตัวอยู่ลึกลงไปในเปลือกโลกเป็นเวลาหลายพันล้านปี ทั้งยังต้องการสภาพแวดล้อมที่มีความดันสูงเป็นพิเศษและอุณหภูมิสูงเกิน 1,000 ℃ การก่อตัวของเพชรที่แสนยากลำบากนี้ ทำให้มันมีความแข็งแกร่งเหนือวัสดุส่วนใหญ่ในโลก และเมื่อเจียระไนออกมาความงามของมันยังเป็นที่นิยมชมชอบ ส่งผลให้ติดอันดับที่สุดของอัญมณีเลอค่าเรื่อยมาตั้งแต่อดีต นำไปสู่การค้นคว้า ‘สังเคราะห์’ หรือ ‘ทำเลียนแบบ’ กระบวนการสร้างเพชรจริงขึ้นมาในห้องทดลอง แต่ก่อนจะรู้ว่ามันสร้างขึ้นมาได้อย่างไร เรามาทำความรู้จักกับ ‘เพชร’ กันสักหน่อย
กำเนิดของเพชร และรูปแบบอันหลากหลาย
องค์ประกอบทางเคมีของเพชรนั้น ที่จริงแล้วคือ ‘คาร์บอน’ แร่ธาตุที่หาได้ไม่ยากเลยในโลกใบนี้ แต่การที่คาร์บอนธรรมดาจะกลายเป็นเพชรได้นั้น ขึ้นอยู่กับรูปแบบการเกาะตัวกันของอะตอมคาร์บอน เมื่อรูปแบบการเกาะตัวกันเปลี่ยนแปลงไป ก็จะทำให้เกิดวัสดุที่แตกต่างกัน บางรูปแบบอาจก่อให้เกิดกราไฟท์สีดำที่มีลักษณะอ่อน สามารถนำไฟฟ้าได้ ในระดับกึ่งโลหะหรือเกือบเท่าโลหะ ขณะที่อีกรูปแบบกลับแตกต่างไป อาจทำให้เกิดเป็นเพชรเนื้อแข็งใส ที่เป็นเป็นฉนวนไฟฟ้าชั้นดี และนอกจากนี้ ยังมีวัสดุที่มีฐานเป็นคาร์บอนอื่น ๆ ที่มีรูปแบบการเกาะตัวเหมือนเพชรด้วย
Credit: Wikipedia
ในเพชรทั่ว ๆ ไป อะตอมจะถูกจัดเรียงในโครงสร้างผลึกลูกบาศก์ (Cubic crystalline structure) แต่มีการจัดเรียงอะตอมของคาร์บอนของเพชรชนิดหนึ่งที่แต่ออกไปในลักษณะโครงสร้างผลึกหกเหลี่ยม (Hexagonal crystal structure) เรียกว่า Lonsdaleite ซึ่งตั้งชื่อตามนักผลึกศาสตร์ (Crystallographer) แคทลีน ลอนสเดล (Kathleen Lonsdale) ซึ่งศึกษาโครงสร้างของคาร์บอนโดยใช้รังสีเอกซ์
เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างของเพชรทั่วไป (ขวา) Credit: http://phycomp.technion.ac.il/
ความน่าสนใจของ Lonsdaleite คือมันถูกประเมินว่าแข็งกว่าเพชรทั่วไปถึง 58 เปอร์เซ็นต์ถือเป็นวัสดุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติที่มีความ ‘แข็ง’ ที่สุดในโลก
เราพบ Lonsdaleite ครั้งแรกในธรรมชาติที่บริเวณปากหลุมอุกกาบาตแคนยอน ไดอะโบล (Canyon Diablo meteorite crater) ในรัฐแอริโซนา หลังจากนั้น จึงมีการสังเคราะห์เพชรชนิดนี้ในห้องปฏิบัติการ โดยเลียนแบบกระบวนการเกิดของมัน ด้วยการใช้ความร้อนและการบีบอัดโดยใช้เครื่องอัดแรงดันสูงหรือการระเบิด แต่ก็สามารถผลิตเพชรสังเคราะห์นี้ได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น
นี่ไม่ใช่การสังเคราะห์เพชรครั้งแรก ตั้งแต่อดีตมีนักวิทยาศาสตร์มากมายพยายามสังเคราะห์เพชรขึ้นมา โดยการสังเคราะห์เพชรครั้งแรกที่ประสบความสำเร็จและได้รับการบันทึกไว้ เกิดขึ้นในปี 1954 (พ. ศ. 2497) นับจากนั้น ก็มีการใช้กระบวนการที่เลียนแบบสภาพภายในเปลือกโลก และเพิ่มตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะเพื่อเร่งกระบวนการ ผลที่ได้คือ ‘เพชรสังเคราะห์’ ที่คล้ายกับเพชรที่พบในธรรมชาติ แต่มักมีขนาดเล็กกว่าและไม่สมบูรณ์แบบเท่า ซึ่งยังคงมีผลิตในปัจจุบัน เพื่อใช้งานในอุตสาหกรรม (เช่นเอาไปเคลือบหัวเจาะ หัวตัดต่างๆ เพราะเพชรแข็งมาก)
นอกจากการใช้แรงดันและอุณหภูมิสูงเหมือนสภาพในเปลือกโลกแล้ว ยังมีวิธีการอื่นในการผลิตเพชรคือ ผ่านกระบวนการทางเคมีและก๊าซ (Chemical-gas process) โดยต้องอาศัยสารตั้งต้นอย่างเพชรเม็ดเล็กเป็น ‘เมล็ดพันธุ์’ และต้องใช้อุณหภูมิประมาณ 800 ℃ กระบวนการนี้จะทำให้เพชรมีขนาดใหญ่ขึ้นอย่างช้า ๆ แต่ได้น้ำเพชรที่ค่อนข้างดี ไม่ค่อยมีตำหนิ
แล้ว ‘เพชรนอกโลก’ เข้ามาเกี่ยวข้องได้อย่างไร
ทั้งหมดทั้งมวลที่อธิบายมาคือกระบวนการเกิด ‘เพชรภายในโลก’ ทั้งสิ้น นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการ ‘เลียนแบบสภาวะ’ ที่ทำให้เกิดเพชรบนโลก และให้เกิดการสังเคราะห์เพชรขึ้นมาได้ ดังนั้น เมื่อมีการพบว่ามีแร่ธาตุสุดล้ำค่าอย่างเพชรมากับอุกกาบาตที่พุ่งชนผิวโลก หรือที่เราเรียกกันว่า ‘เพชรนอกโลก (Extraterrestrial diamonds)’ นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามเข้าใจว่า กระบวนการที่ทำให้เกิดเพชรจากนอกโลกนั้น มีที่มาอย่างไร และเราจะผลิตเพชรโดนเลียนแบบกระบวนดังกล่าว ได้เช่นเดียวกับกระบวนการที่เกิดขึ้นในโลกได้หรือไม่
Credit: NASA/JPL-Caltech
(อ่านต่อหน้า 2คลิกด้านล่างเลย)
เมื่อนักวิทยาศาสตร์ศึกษาต่อไปเรื่อย ๆ ก็พบหลักฐานบางอย่างบ่งชี้ว่า นอกจากอุณหภูมิและแรงบีบอัดสูงแล้ว แรงเลื่อนหรือที่เรียกว่า ‘แรงเฉือน (Shear force)’ อาจมีบทบาทสำคัญกระตุ้นการก่อตัวของเพชรชนิดนี้
วัตถุที่ได้รับผลกระทบจากแรงเฉือนจะถูกผลักไปในทิศทางเดียวที่ด้านบนและทิศทางตรงกันข้ามที่ด้านล่าง จึงเหมือนมีแรงกระทำที่ตัดเฉือนสวนทางทำให้วัตถุนั้นเลื่อนหรือเคลื่อนไปนั่นเอง
Credit: Sharayanan/ Wikipedia
ผลลัพธ์ที่น่าทึ่งจากห้องแล็บ
และเพื่อพิสูจน์สมมติฐานนั้น การทดลองสังเคราะห์เพชรในห้องปฏิบัติการจึงเริ่มขึ้น นักวิจัยได้ออกแบบการทดลอง โดยนำเศษคาร์บอนที่มีลักษณะคล้ายกราไฟท์ขนาดเล็ก ไปผ่านกระบวนการที่มีทั้งแรงบีบอัด และแรงเฉือนที่สูงมาก แต่ละเว้นการผ่านความร้อนสูงขณะการบีบอัดอย่างที่เคยทำมาก่อน
โจดี้ แบรดบาย (Jodie Bradby) ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย (Australian National University) กล่าวเปรียบเทียบกระบวนการกำเนิดเพชรว่า “เพชรธรรมชาติใช้เวลาก่อเกิดหลายพันล้านปี ลึกลงไปในเปลือกโลกประมาณ 150 กิโลเมตร ซึ่งที่นั่นมีแรงกดดันมหาศาล และมีอุณหภูมิสูงกว่า 1,000 องศาเซลเซียส ทว่า ความแตกต่างในเรื่องนี้คือ การใช้แรงกดที่ต่างออกไป”
เมื่อได้นำเศษคาร์บอนนั้นมาตรวจหลังผ่านกระบวนการดังกล่าว โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนขั้นสูง ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้ถ่ายภาพที่ให้รายละเอียดสูงสุด ๆ ก็พบว่า เศษคาร์บอนนั้นได้แปรเปลี่ยนไปเป็นทั้งเพชรธรรมดา และ Lonsdaleite ในรูปแบบที่ไม่เคยพบเห็นมาก่อน คือ มีสายใยของเพชรเป็นเส้นบาง ๆ (เล็กกว่าเส้นผมมนุษย์ 200 เท่า) ซึ่งรอบล้อมไปด้วย Lonsdaleite โดยนักวิจัยได้เขียนถึงผลการทดลองนี้ลงในงานวิจัย ที่ตีพิมพ์เมื่อเดือนพฤศจิกายนที่ผ่านมา
สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าแรงเฉือนเป็นกุญแจสำคัญในการก่อตัวของเพชรเหล่านี้ที่อุณหภูมิปกติ ซึ่งนั่นจะช่วยเพิ่มโอกาสในการผลิตเพชร และสิ่งที่แข็งแกร่งยิ่งกว่าอย่าง Lonsdaleite ถือเป็นข่าวใหญ่ในอุตสาหกรรมที่มีความจำเป็นต้องใช้วัสดุที่แข็งมาก เช่น การใช้เพื่อตัดวัสดุอื่นที่มีความแข็งรองลงมา การใช้เพชรเคลือบสว่านและใบมีดเพื่อลดการสึกกร่อน ช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือให้นานขึ้น นอกจากนี้ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ เพชรยังเป็นฉนวนกั้นระหว่างชั้นของตัวเก็บประจุได้ดีอีกด้วย
อย่างไรก็ตาม ยังคงมีความท้าทายอีกอย่างที่รออยู่ นั่นคือการลดแรงบีบอัดที่ใช้ในกระบวนการ เพราะแม้จะลดการใช้อุณหภูมิมหาศาลไปได้ แต่แรงบีบอัดมหาศาลอย่างที่ใช้ในห้องแล็บนั้นมีค่าสูงถึง 80 กิกะปาสคาล (Gigapascals) หรือประมาณช้างแอฟริกัน 640 ตัว อยู่บนปลายรองเท่าบัลเลต์ ซึ่งนั่นก็ไม่ง่ายต่อการผลิตและยังมีค่าใช้จ่ายที่สูงอยู่ดี ดังนั้น หากลดแรงบีบอัดได้ การผลิตเพชรสังเคราะห์ก็น่าจะมีต้นทุนที่ถูกลง และผลิตได้รวดเร็วยิ่งขึ้น…และไม่แน่ว่าในอนาคต เราอาจจะได้เห็นเทคโนโลยีขั้นสูง มาช่วยผลิตเพชร ซึ่งอาจจะพลิกโฉมอุตสาหกรรมโลกก็เป้นได้
อ้างอิง
พิสูจน์อักษร : สุชยา เกษจำรัส