วัสดุสุดล้ำ “ซ่อมตัวเองได้ 1,000 ครั้ง” นวัตกรรมที่อาจช่วยยืดอายุการใช้งานรถยนต์ เครื่องบิน ไปจนถึงยานอวกาศ

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนอร์ทแคโรไลนา และมหาวิทยาลัยฮุสตัน สหรัฐฯ ได้พัฒนาวัสดุคอมโพสิตเสริมเส้นใยชนิดใหม่ (Fiber-Reinforced Composites) ที่สามารถ “ซ่อมแซมตัวเอง” ได้มากกว่า 1,000 ครั้ง อีกทั้งยังแข็งแรงกว่าวัสดุที่ใช้ในปัจจุบัน สำหรับใช้กับปีกเครื่องบิน ใบพัดกังหัน และอุปกรณ์สำคัญอื่น ๆ ด้านนักวิจัยเชื่อว่าวัสดุนี้อาจช่วยยืดอายุการใช้งานของรถยนต์ เครื่องบิน ยานอวกาศ และเครื่องจักรสำคัญอื่น ๆ ได้อย่างมาก

ความก้าวหน้าของนวัตกรรมนี้ช่วยแก้ปัญหาสำคัญอย่าง “การแยกชั้น” (delamination) ซึ่งเป็นการที่ชั้นในวัสดุคอมโพสิตแบบไฟเบอร์เสริมโพลิเมอร์ (FRP) ค่อย ๆ แยกออกจากกันเมื่อใช้งานเป็นเวลานาน โดยวัสดุใหม่ยังหน้าตาคล้าย FRP แบบเดิม แต่ถูกออกแบบให้ทนทานกว่า ทำให้เกิดรอยร้าวหรือแตกหักได้ยากมากขึ้น

เคล็ดลับของนวัตกรรมนี้ เกิดจากการใช้สารซ่อมแซมเทอร์โมพลาสติกที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิติ เพื่อสร้างเป็นชั้นกลางแทรกระหว่างโครงสร้างคอมโพสิต ซึ่งทำจากวัสดุโคพอลิเมอร์เอทิลีนเมทาคริลิกแอซิด หรือ EMAA (ethylene-co-methacrylic acid) ที่ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการแยกชั้นได้มากกว่าวัสดุ FRP ทั่วไปถึง 2-4 เท่า

ซึ่งอาศัยการเชื่อมตัวใหม่ของสายโพลิเมอร์ โดยมีการฝังชั้นให้ความร้อนที่ทำจากคาร์บอนไว้ภายในวัสดุ เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้า ชั้นดังกล่าวจะสร้างความร้อน ทำให้ EMAA หลอมละลาย และไหลเข้าไปอุดรอยร้าวขนาดเล็ก ก่อนจะเชื่อมโครงสร้างกลับเข้าด้วยกัน ส่งผลให้วัสดุสามารถซ่อมแซมตัวเองได้นั่นเอง

ในการทดสอบ นักวิจัยใช้แรงดึงเพื่อจำลองการใช้งานจริงให้กับตัววัสดุ จากนั้นจึงเริ่มสร้างรอยแยกยาวประมาณ 2 นิ้ว ก่อนกระตุ้นกระบวนการซ่อมแซม โดยมีการทำซ้ำกระบวนการทั้งหมดถึง 1,000 ครั้ง ใน 40 วัน

ผลลัพธ์ที่ได้ถือว่าน่าพึงพอใจอย่างมาก โดยพบว่าวัสดุชนิดนี้สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ พร้อมทั้งยังคงความเหนียว และความทนทานไว้ได้เป็นอย่างดี ตามที่ แจ็ค ทูริเซค (Jack Turicek) หัวหน้าทีมวิจัยระบุ วัสดุดังกล่าวมีความแข็งแรงพื้นฐานสูงกว่าคอมโพสิตทั่วไป และสามารถทนต่อความเสียหายได้อย่างน้อย 500 รอบ

แม้ว่าความทนทานจะลดลงเล็กน้อยเมื่อวัสดุมีการซ่อมแซมตัวเองซ้ำ ๆ แต่ก็ยังอยู่ในระดับที่ช้ามาก ทำให้ชิ้นส่วนที่สร้างด้วยวัสดุตัวนี้อาจใช้งานได้ยาวนานสูงสุดถึง 500 ปี ในขณะที่วัสดุ FRP แบบเดิมมีอายุการใช้งานเฉลี่ยเพียง 15-40 ปี เท่านั้น ต่างกันแบบสุดขั้ว

แล้ววัสดุนี้อาจมีส่วนสำคัญอย่างไรในอนาคต ?

หากมีการนำมาใช้จริงในวงกว้างเมื่อไร ในระยะยาววัสดุดังกล่าวอาจช่วยได้ทั้งลดต้นทุน ลดการใช้พลังงาน รวมไปถึงลดขยะอุตสาหกรรมได้อย่างมหาศาล ไม่ว่าจะวงการยานยนต์, อากาศยาน, ชิ้นส่วนสำหรับเครื่องผลิตพลังงานหมุนเวียนอย่างกังหัน จนไปถึงระดับยานอวกาศ

แต่เมื่อมองในมุมกลับกัน ถ้าประสิทธิภาพความทนทานดีจริงอย่างที่กล่าว เหล่าผู้ผลิตในอุตสาหกรรมทั่วไป เช่น ยานยนต์ จะเลือกนำมาใช้จริงแค่ไหน เพราะถ้าหากผลิตภัณฑ์ทนเกินไป ก็จะไม่มีรายได้จากการขายชิ้นส่วนแยก จนอาจกระทบต่อโมเดลธุรกิจได้ รวมถึงต้นทุนของวัสดุในช่วงเริ่มต้น ซึ่งโดยธรรมชาติของนวัตกรรมใหม่มักยังอยู่ในระดับที่สูง ไม่ต่างจากเทคโนโลยีอื่น ๆ ในอดีตที่ต้องใช้เวลาในการพัฒนา และสามารถผลิตได้ในจำนวนที่มากขึ้น ก่อนจะเข้าถึงได้ในวงกว้าง

โดยคาดว่าน่าจะมีการนำมาใช้กับชิ้นส่วนที่เป็นจุดสำคัญก่อน เช่น ปีกเครื่องบิน, กังหันลม หรือโครงสร้างหลักต่าง ๆ เพราะมีความคุ้มค่ามากกว่า และยังใช้เป็นจุดขายหลักได้ ในขณะที่ชิ้นส่วนอื่น ๆ ก็อาจจะทนขึ้นอีก 2-3 เท่า แต่ก็ยังสามารถขายของใหม่ได้ตามรอบธุรกิจที่วางเอาไว้

ที่มา: Techspot

บดินทร์ ตันวิเชียร

'ช่างภาพ' ที่เขียนคอนเทนต์ได้ หาเงินซื้อเปียกให้แมว 3 ตัว ที่บ้าน