นักวิทย์ฯ IBS เกาหลีใต้ พลิกตำรา! สร้าง “เพชร” ด้วยโลหะเหลวสำเร็จ ไม่ต้องใช้แรงดัน-ความร้อนสูง
อุลซาน/แทจอน, เกาหลีใต้ – ท้าทายกระบวนทัศน์ที่มีมายาวนานในวงการวัสดุศาสตร์ ทีมนักวิจัยนำโดยศาสตราจารย์ร็อด รูออฟ ผู้อำนวยการศูนย์วัสดุคาร์บอนหลายมิติ (CMCM) สถาบันวิทยาศาสตร์พื้นฐาน (IBS) ประเทศเกาหลีใต้ ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์เพชรภายใต้สภาวะความดันบรรยากาศปกติ (1 atm) และที่อุณหภูมิค่อนข้างปานกลางเพียง 1,025 องศาเซลเซียส ความสำเร็จครั้งประวัติศาสตร์นี้ ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับวิธีการผลิตเพชรสังเคราะห์ส่วนใหญ่ (99%) ในปัจจุบันที่ต้องอาศัยสภาวะความดันสูงและอุณหภูมิสูง (HPHT) เกิดขึ้นได้ด้วยการใช้ระบบโลหะผสมเหลวรูปแบบใหม่ และได้รับการตีพิมพ์ในวารสารทางวิทยาศาสตร์อันทรงเกียรติอย่าง Nature
ความเชื่อเดิมคือเพชรสามารถเติบโตได้โดยใช้โลหะเหลวเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้ช่วงความดันระดับกิกะปาสคาล (โดยทั่วไป 5-6 GPa หรือประมาณ 50,000-60,000 เท่าของความดันบรรยากาศ) และอุณหภูมิระหว่าง 1,300–1,600°C สภาวะสุดขั้วเหล่านี้จำกัดขนาดของเพชรที่ผลิตด้วยวิธี HPHT ให้มีขนาดประมาณหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตรเท่านั้น การค้นพบของทีม IBS นี้นำเสนอหนทางใหม่ที่อาจปฏิวัติการผลิตเพชร ทำให้สามารถขยายขนาดการผลิตได้ มีต้นทุนที่ถูกลง และใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
กุญแจสำคัญของนวัตกรรมนี้อยู่ที่โลหะผสมเหลวสูตรเฉพาะซึ่งประกอบด้วย แกลเลียม (Ga), เหล็ก (Fe), นิกเกิล (Ni) และซิลิคอน (Si) ในปริมาณเล็กน้อย ในอัตราส่วนอะตอมเปอร์เซ็นต์ 77.75/11.00/11.00/0.25 การทดลองดำเนินการในระบบสุญญากาศแบบผนังเย็น (Cold-Wall Vacuum System) ที่สร้างขึ้นเอง ศ.รูออฟ อธิบายถึงความท้าทายในช่วงแรกที่ใช้ห้องทดลองขนาดใหญ่ (RSR-A ปริมาตร 100 ลิตร) ซึ่งต้องใช้เวลาเตรียมการนานกว่าสามชั่วโมงต่อการทดลองหนึ่งครั้ง จึงนำไปสู่การออกแบบห้องทดลองที่เล็กกว่ามาก (RSR-S ปริมาตรเพียง 9 ลิตร) โดย ดร.วอน คยอง ซอง ซึ่งช่วยลดเวลาเตรียมการเหลือเพียง 15 นาที ทำให้การศึกษาพารามิเตอร์ต่างๆ เป็นไปอย่างรวดเร็ว
“ระบบที่เราสร้างขึ้นใหม่ (RSR-S)…สามารถปั๊มอากาศออก, เติมก๊าซเฉื่อย, ปั๊มอากาศออกอีกครั้ง และเติมส่วนผสมมีเทน/ไฮโดรเจน ได้ในเวลารวมเพียง 15 นาที” ดร.ซอง กล่าว “สิ่งนี้ช่วยให้เราค้นพบพารามิเตอร์ที่ทำให้เพชรเติบโตในโลหะเหลวได้สำเร็จ!”
นายหยาน กง นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก UNIST และผู้เขียนหลักของงานวิจัย เล่าถึงช่วงเวลาแห่งการค้นพบว่า: “วันหนึ่งขณะทดลองด้วยระบบ RSR-S…ฉันสังเกตเห็น ‘ลวดลายสีรุ้ง’…เราพบว่าสีรุ้งนั้นเกิดจากเพชร!” การค้นพบนี้เกิดขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องใช้ผลึกเพชรเริ่มต้น (Seed Particles) ซึ่งเป็นข้อกำหนดทั่วไปในวิธีการสังเคราะห์แบบอื่น อนุภาคเพชรที่เกิดขึ้นจะรวมตัวกันเป็นฟิล์มบางๆ ซึ่งสามารถลอกออกได้อย่างง่ายดาย
การวัดด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์แบบสองมิติด้วยเครื่องซินโครตรอนยืนยันว่าฟิล์มเพชรที่สังเคราะห์ได้มีความบริสุทธิ์ของเฟสเพชรสูงมาก สิ่งที่น่าสนใจอีกประการคือการปรากฏของ “ศูนย์กลางสีซิลิคอน-แว็กแคนซี” (Silicon-Vacancy Color Centers) ในโครงสร้างเพชร ดร.เหมยฮุย หวัง หนึ่งในผู้ร่วมวิจัย ตั้งข้อสังเกตว่า “เพชรที่สังเคราะห์ได้พร้อมศูนย์กลางสีซิลิคอน-แว็กแคนซีนี้ อาจนำไปประยุกต์ใช้ในเซ็นเซอร์แม่เหล็กและควอนตัมคอมพิวติ้งได้”
การสืบสวนกลไกการเติบโตของเพชรพบว่ามีบริเวณอสัณฐาน (Amorphous) หนาประมาณ 30-40 นาโนเมตร ใต้ผิวของโลหะเหลวที่แข็งตัวซึ่งสัมผัสโดยตรงกับเพชร ดร.มยองกี ชเว หนึ่งในทีมวิจัย อธิบายว่าบริเวณนี้มีความเข้มข้นของคาร์บอนสูง (ประมาณ 27% ของอะตอมที่ผิวบนสุด) ซึ่งเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจเนื่องจากคาร์บอนมีรายงานว่าละลายในแกลเลียมได้น้อยมาก เชื่อกันว่าบริเวณใต้ผิวที่อุดมด้วยคาร์บอนและมีลักษณะอสัณฐานนี้เป็นที่ที่เพชรเริ่มก่อตัวและเติบโต
การทดลองเพิ่มเติมพบว่าหลังจากผ่านไป 10 นาทีที่โลหะเหลวสัมผัสกับส่วนผสมมีเทน/ไฮโดรเจน ยังไม่พบอนุภาคเพชร แต่บริเวณใต้ผิวมีความเข้มข้นของอะตอมคาร์บอนสูงถึง ~65% ซึ่งบ่งชี้ถึงภาวะอิ่มตัวยิ่งยวด (Supersaturation) อนุภาคเพชรเริ่มปรากฏให้เห็นหลังจากการทดลองผ่านไป 15 นาที โดยความเข้มข้นของอะตอมคาร์บอนใต้ผิวลดลงเหลือ ~27% “การเติบโตของอนุภาคเพชรคาดว่าจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมากหลังจากการก่อตัวของนิวเคลียส ในช่วงเวลาระหว่างประมาณ 10 ถึง 15 นาที” ศ.รูออฟ อธิบาย นอกจากนี้ยังพบว่าความลาดชันของอุณหภูมิภายในโลหะเหลว ซึ่งบริเวณกลางมีอุณหภูมิต่ำกว่า อาจเป็นปัจจัยที่ขับเคลื่อนการแพร่ของคาร์บอนและเอื้อต่อการเติบโตของเพชร
ซิลิคอนถูกค้นพบว่ามีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง หากไม่มีซิลิคอน เพชรจะไม่สามารถเติบโตได้เลย การคำนวณทางทฤษฎีชี้ให้เห็นว่าซิลิคอนช่วยส่งเสริมการก่อตัวและเสถียรภาพของกลุ่มคาร์บอนบางชนิดที่มีพันธะแบบ sp³ ซึ่งอาจทำหน้าที่เป็น “นิวเคลียสเริ่มต้น” (Pre-nuclei) สำหรับการก่อตัวของเพชร
ศ.รูออฟ สรุปว่า “การค้นพบการก่อตัวและการเติบโตของเพชรในโลหะเหลวนี้เป็นเรื่องที่น่าทึ่งและเปิดโอกาสที่น่าตื่นเต้นมากมายสำหรับวิทยาศาสตร์พื้นฐาน…การออกแบบและวิธีการใหม่ๆ ในการนำอะตอมคาร์บอนหรือกลุ่มคาร์บอนขนาดเล็กเข้าสู่โลหะเหลวเพื่อการเติบโตของเพชรจะมีความสำคัญอย่างแน่นอน” เขาคาดการณ์ว่าการค้นพบนี้จะกระตุ้นให้เกิดการวิจัยและแนวทางใหม่ๆ จากชุมชนวิทยาศาสตร์ทั่วโลกอย่างรวดเร็ว
