วัสดุ

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

วัสดุ หรือ วัตถุดิบ (material) เป็นแก่นสารทางวัตถุที่ใช้ในกระบวนการผลิต เป็นวัตถุในขั้นแรกที่ได้มาจากแหล่งวัตถุดิบก่อนจะนำไปแปรรูปเป็นผลิตผล สำหรับการอุปโภคหรือบริโภค

ประเภทของวัสดุ อาจจำแนกตามสสารที่ประกอบเป็นวัสดุ เช่น ไม้ กระดาษ กระจก ปูนซิเมนต์ หรือ จำแนกตามการใช้งานเช่น วัสดุก่อสร้าง วัสดุอุตสาหกรรม วัสดุตกแต่ง

ดูเพิ่ม[แก้]

“ตัวนำยวดยิ่ง” (อังกฤษ: superconductor) เป็นธาตุหรือสารประกอบที่จะนำไฟฟ้าได้ร้อยเปอร์เซ็นต์โดยไม่มีความต้านทานไฟฟ้าและไม่มีการสูญเสียพลังงาน ภายใต้อุณหภูมิค่าหนึ่งหรือที่เรียกว่าอุณหภูมิวิกฤต ซึ่งถือเป็นสมบัติทางฟิสิกส์ที่สำคัญ (ดวงสมร เจริญกุล. 2559: ออนไลน์)[1]

สมบัติทางแม่เหล็กที่สำคัญของตัวนำยวดยิ่ง

ตัวนำยวดยิ่งเป็นวัสดุที่มีสมบัติทางด้านฟิสิกส์ของแข็ง (Solid State Physics) ที่โดดเด่นกว่าวัสดุชนิดอื่นสองด้านสำคัญ คือ สมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติทางแม่เหล็ก ในระยะแรกการค้นพบตัวนำยวดยิ่งจะพบอยู่เฉพาะในรูปแบบของโลหะบริสุทธิ์ ต่อมามีการค้นพบที่หลากหลายขึ้น ได้แก่ ตัวนำยวดยิ่งแบบโลหะ โลหะผสมหรือแม้แต่เซรามิก และในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถนำทฤษฎีตัวนำยวดยิ่งมาประยุกต์ใช้งานจริงในชีวิตประจำวันของมนุษย์ได้โดยอาศัยสมบัติโดดเด่นที่ว่าวัสดุนี้มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์และการลอยตัวเหนือแม่เหล็กได้ เช่น รถไฟความเร็วสูงแม็กเลฟ (Maglev) ของญี่ปุ่น ที่วิ่งด้วยความเร็วสูงเนื่องจากไม่มีแรงเสียดทานจากพื้น หรือแม้แต่ในทางการแพทย์ก็มีการนำมาสร้างเครื่องมือสำหรับวินิจฉัยโรคที่สำคัญ คือ การสร้างภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็กหรือการตรวจเอกซเรย์ด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI)

ประวัติการค้นพบตัวนำยวดยิ่ง[แก้]

การค้นพบตัวนำยวดยิ่งเริ่มต้นตั้งแต่ปี ค.ศ.1911 หรือกว่า 100 ปีมาแล้ว ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์แบ่งการค้นพบเป็นสองยุค คือ การค้นพบตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม และการค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง

การค้นพบตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม[แก้]

Kamerlingh Onnes
ค่าความต้านทานไฟฟ้ากับอุณหภูมิของปรอท
  • ในปี ค.ศ.1911 นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ชื่อ คาร์เมอร์ลิงน์ออนเนส (Buckel. 1991:3)[2] เขาได้นำปรอทไปทำการทดลองเพื่อวัดค่าความต้านทานไฟฟ้า ซึ่ง ออนเนสคิดว่าปรอทเป็นโลหะที่มีความบริสุทธิ์ที่สุดในขณะนั้นและความต้านทานจะลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียล (exponential) ที่จุดเดือดของฮีเลียมเหลวซึ่งจะพบตำแหน่งที่มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ได้ แต่ผลการทดลองพบว่าความต้านทานของไฟฟ้าของปรอทบริสุทธิ์ลดลงอย่างสม่ำเสมอเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำเมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 4.2 เคลวิน ความต้านทานไฟฟ้าของปรอทลดลงอย่างรวดเร็ว แต่การทดลองไม่ได้มีการลดลงอย่างเอกซ์โพเนนเชียล (exponential) ตามที่คาดไว้เนื่องจากความต้านทานไฟฟ้าที่วัดได้มีค่าน้อยกว่า 10-6 เท่าของความต้านทานไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งอาจกล่าวได้ว่าความต้านทานไฟฟ้าของปรอทเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ 4.2 เคลวินและต่อมาออนเนส พบว่าการเกิดความต้านทานเป็นศูนย์อย่างทันทีทันใดนั้นสามารถเกิดกับโลหะหลายชนิดโดยไม่ขึ้นกับความบริสุทธิ์ของสาร จึงเรียกปรากฏที่สารไร้ความต้านทานนี้ว่า “สภาพนำยวดยิ่ง” (Superconductivity) และเรียกอุณหภูมิที่ทำให้เกิดสภาพนำยวดยิ่งว่า อุณหภูมิวิกฤติ (Critical Temperature,TC)
  • ในปี ค.ศ.1913 ออนเนสได้ทำการทดลองซึ่งพบว่าเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลในตัวนำยวดยิ่งได้ ถ้าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านมีค่าต่ำกว่าค่าๆหนึ่ง และเมื่อความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านมีค่าสูงกว่าค่านี้แล้ว วัสดุจะกลายสภาพเป็นตัวนำปกติ เรียกความหนาแน่นกระแสนั้นว่า “ความหนาแน่นกระแสวิกฤติ” (Critical Current Density,JC) ซึ่งปริมาณความหนาแน่นกระแสวิกฤตนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ โดยความหนาแน่นกระแสวิกฤติจะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง
  • ในปี ค.ศ.1914 ออนเนสพบว่าสนามแม่เหล็กสามารถทำลายสภาพนำยวดยิ่งได้เช่นเดียวกับความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าวิกฤต เรียกสนามแม่เหล็กนี้ว่า สนามแม่เหล็กวิกฤต (Critical magnetic field,HC) นั่นคือถ้าสนามแม่เหล็กมีความเข้มมากกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตแล้วตัวนำยวดยิ่งจะกลายสภาพเป็นตัวนำปกติ
  • ในปี ค.ศ.1916 ซิลส์บี (Silsbee) ศึกษาสภาพนำยวดยิ่ง (Sacchhetti. 2000)[3] ในลวดตัวยวดยิ่งกับสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำและได้อธิบายว่า “กระแสวิกฤตเหนี่ยวนำคือปัจจัยที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ผิวของลวด” ดังนั้นปัจจัยที่ทำลายสภาพนำยวดยิ่งคือ อุณหภูมิ ความหนาแน่นกระแส และสนามแม่เหล็ก
ภาพแสดงการเกิดปรากฏการณ์ไมสเนอร์
  • ในปี ค.ศ.1933 ไมสเนอร์และออเซนฟิลด์ (Meissner; & Ochsenfeld . 1933)[4] พบสมบัติพื้นฐานที่สำคัญของตัวนำยวดยิ่ง คือเมื่อทำให้ตัวนำยวดยิ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติ พบว่าตัวนำยวดยิ่งจะเกิดการเปลี่ยนสภาพเป็นตัวนำยวดยิ่งและหากใส่สนามแม่เหล็กภายนอกเข้าไป สนามแม่เหล็กจะไม่สามารถพุ่งผ่านเข้าไปในเนื้อตัวนำได้เนื่องจากสนามแม่เหล็กภายนอกทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ผิวของตัวนำยวดยิ่งและกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นทำให้เกิดสนามแม่เหล็กต่อต้านสนามแม่เหล็กภายนอกที่ใส่เข้าไปเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ (Meissner effect) แต่ในทางกลับกันถ้าตัวนำยวดยิ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต ตัวนำยวดยิ่งจะกลายเป็นสภาพเป็นตัวนำปกติ สนามแม่เหล็กจะสามารถทะลุผ่านเข้าไปในเนื้อผิวตัวนำยวดยิ่งได้

การค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง[แก้]

  • ในปี ค.ศ.1986 เบทนอสและมูลเลอร์ (Bednorz; & Muller. 1986)[5] ได้ทำการวิจัยซึ่งจากงานวิจัยดังกล่าวค้นพบสภาพตัวนำยวดยิ่งของสารกลุ่มใหม่ที่มีองค์ประกอบของคอปเปอร์ออกไซด์ (CuO2) เป็นองค์ประกอบเรียกว่า คิวเพรท (Cuprate) และเป็นสารตัวแรกที่เป็นสารประกอบของ La2BaCuO4 ซึ่งเป็นสารประกอบประเภทเซรามิกคือที่อุณหภูมิห้องสารจะมีสภาพเป็นฉนวนไฟฟ้า แต่หากลดอุณหภูมิลงจนต่ำกว่า 30 เคลวิน สารจะเกิดการเปลี่ยนสภาพเป็นตัวนำยวดยิ่งได้ การค้นพบของเบทนอสและมูลเลอร์ทำให้กลุ่มนักฟิสิกส์คาดการณ์ว่าจะต้องค้นพบตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิห้องและการค้นพบของเบทนอสและมูลเลอร์ครั้งนี้ทำให้กลุ่มนักฟิสิกส์มีความเข้าใจในแนวเดียวกันว่าตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤตไม่เกิน 35 เคลวิน เป็นตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม (Conventional Superconductors) และเรียกตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิวิกฤตสูงกว่า 35 เคลวินว่าเป็นตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (High Temperature Superconductors)
  • ตั้งแต่ปี ค.ศ.1911 ซึ่งเป็นปีของการค้นพบเป็นต้นมา การค้นคว้าวิจัยหาตัวนำยวดยิ่งชนิดหนึ่งที่อุณหภูมิวิกฤติสูงนั้นได้พัฒนาไปอย่างเชื่องช้า จนกระทั่งในปี ค.ศ.1973 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบโลหะผสมระหว่างไนโอเบียมและเจอร์มาเนียม (Nb3Ge) ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤต 23.2 เคลวิน แต่ไม่ประสบความสำเร็จจึงทำให้เชื่อว่าตัวนำยวดยิ่งในธรรมชาติน่าจะมีอุณหภูมิวิกฤตที่จำกัดประมาณ 35 เคลวิน และ เรียกตัวนำชนิดนี้ว่า ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ (Low Temperature Superconductors)
  • ปี ค.ศ.1987 กลุ่มวิจัยของชู(Chu) ได้ทำการทดลองพบว่า ตัวนำยวดยิ่ง Ba-La-Cu-O เมื่อใส่ความดันเข้าไปในระบบ สามารถมีอุณหภูมิวิกฤติเพิ่มขึ้นจาก 35 เคลวิน เป็นเท่ากับ 50 เคลวิน ได้ และยังสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 90 เคลวิน เมื่อแทนที่อะตอม La ด้วย Y ซึ่งมีสูตรใหม่เป็น YBa2Cu3 Ox

หลังการค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง[แก้]

  • ปี ค.ศ.1988 เตรียมตัวนำยวดยิ่ง Bi-Sr-Ca-O ที่มีอุณหภูมิวิกฤติ 110 เคลวิน และเตรียมตัวนำยวดยิ่งแบบฟิล์มได้ครั้งแรก
  • ปี ค.ศ.1989 เตรียมสายไฟที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งบนเงินได้ (BSCCO/Silver) และเตรียมตัวนำยวดยิ่ง Ti-Sr-Ca-O ที่มีอุณหภูมิวิกฤติ 125 เคลวิน
  • ปี ค.ศ.2001 ได้ค้นพบสภาพนำยวดยิ่งใน แมกนีเซียมโบไรด์ MgB2 (Nagamatsu et al., 2001)[6] ที่มีอุณภูมิวิกฤติถึง 40 เคลวิน
  • ปี ค.ศ.2003 สร้างรถไฟฟ้าแมกเลฟ ที่มีความเร็วสูงสุด 581 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
  • ปี ค.ศ.2004 ได้ค้นพบสภาพนำยวดยิ่งในเพชร ที่โด็ปด้วยโบรอน (Boron-droped diamond)(Ekimov, 2004)[7]ที่มีอุณหภูมิวิกฤติประมาณ 40 เคลวิน
  • ปี ค.ศ.2008 ได้ค้นพบตัวนำยวดยิ่งในสารประกอบเหล็กพินไตดส์ (Iron-phictides) ซึ่งเป็นตัวนำยวดยิ่งแบบสองแถบพลังงานที่ไม่มีส่วนประกอบของคอปเปอร์ออกไซต์ มีอุณหภูมิวิกฤติไม่สูงมาก (Kamihara et al., 2008)[8]แต่มีค่าสนามแม่เหล็กวิกฤติที่สอง และกระแสไฟฟ้าวิกฤติสูงมาก

อ้างอิง[แก้]

  1. ดวงสมร เจริญกุล. (2559). ตัวนำยวดยิ่ง. สืบค้นเมื่อ 25 สิงหาคม 2559. จาก: http://www.material.chula.ac.th/RADIO44/APRIL/RADIO4-7.HTM.
  2. Buckel, Werner. (1991). Superconductivity Fundamentals and Application. NewYork: VCH Publishers Inc.
  3. Sacchhetti, N. (2000). Superconductivity :From Physics to Alchemy. Internationnal Journal of Modern Physics B. 14(25-27) : 2617-2627.
  4. Meissner, W.; & Ochsenfeld, R. (1933). Ein neuer Effekt bei Eintritt der supraleittfahigkeit. Naturwissenschaften. vol.21: 787-788.
  5. Bednorz, J.G.; & Muller K.A. (1986). Possible High Tc Superconductivity in the Ba-La-Cu-O System. Zeitschrift fur Physik B Condensed Matter. vol.64: 189-193.
  6. Nagamatsu, J. et al. 2001. Nature(London) 410: 63-64.
  7. Ekimov, E.A. et al. 2004. "Superconductivity in Diamond." Nature 428: 542-545.
  8. Kamihara, Y., Watanabe, T., Hirano, M., and Hosono, H. 2008 "Iron-Based Layered Superconductor La[O1-xFx]FeAsx with Tc = 26K."J. Am. Chem. soc. 130:3296.