บาง เบา และ ทนร้อนสุดขั้ว! จีนพัฒนาฉนวนกันความร้อน อยู่ได้ในอุณหภูมิที่สูงถึง 2,600°C

ในโลกที่การแข่งขันทางเทคโนโลยีกำลังผลักดันขีดจำกัดของสิ่งที่เป็นไปได้ ตั้งแต่ยานยนต์ความเร็วเหนือเสียง (Hypersonic) ไปจนถึงการสำรวจอวกาศที่ไกลขึ้น ความท้าทายหนึ่งที่เปรียบเสมือนกำแพงขวางกั้นอยู่เสมอคือ "ความร้อนสุดขั้ว" แต่ล่าสุด กำแพงนั้นอาจกำลังจะถูกทลายลง เมื่อทีมนักวิจัยจาก Tsinghua University ประเทศจีน ได้เปิดตัววัสดุแห่งอนาคตที่สร้างสถิติใหม่ให้กับวงการวัสดุศาสตร์ มันคือฉนวนกันความร้อนที่ทำจากคาร์บอนนาโนทิวบ์ สามารถทนอุณหภูมิได้สูงถึง 2,600°C ซึ่งเหนือกว่าวัสดุทุกชนิดที่เคยมีมา

ความก้าวหน้าครั้งประวัติศาสตร์นี้อาจเป็นชิ้นส่วนสำคัญที่จะปลดล็อกเทคโนโลยีสำหรับเกราะป้องกันความร้อนของยานอวกาศขณะกลับสู่ชั้นบรรยากาศโลก หรือแม้กระทั่งยานรบความเร็วสูงที่ต้องเผชิญกับอุณหภูมิอันมหาศาล

วัสดุในปัจจุบันหนัก, เทอะทะ, และทนไม่พอ

ที่ผ่านมา วิศวกรต้องเผชิญกับข้อจำกัดของวัสดุฉนวนกันความร้อน (Thermal Insulation Materials หรือ TIMs) ที่มีอยู่ ไม่ว่าจะเป็นยานอวกาศ เครื่องยนต์เจ็ต หรือเตาหลอมในโรงงานอุตสาหกรรม วัสดุเหล่านี้จำเป็นต้องทนทานต่อความร้อนโดยไม่หลอมละลายหรือแตกร้าว แต่ TIMs ส่วนใหญ่มักจะสิ้นสุดประสิทธิภาพที่อุณหภูมิราว 1,500°C หรือหากทนได้ ก็มักจะมีค่าการนำความร้อนสูง ทำให้กันความร้อนได้ไม่ดีพอ ทางแก้คือต้องทำให้ฉนวนหนาขึ้น ซึ่งนำไปสู่ปัญหาใหม่ นั่นคือน้ำหนักและขนาดที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นเรื่องใหญ่สำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศที่ทุกกรัมมีความหมาย

ด้วยเหตุนี้ การค้นหาฉนวนที่ทั้งเบา, บาง, ยืดหยุ่น และทนความร้อนได้อย่างเหนือชั้น จึงดำเนินมาอย่างต่อเนื่อง และดูเหมือนว่าคำตอบจะอยู่ในโครงสร้างระดับนาโน

SACNT-SF คำตอบจากโครงสร้างนาโน

ในบทความวิจัยที่ตีพิมพ์ลงในวารสารชั้นนำอย่าง Advanced Functional Materials ทีมนักวิจัยได้นำเสนอ "ฟิล์มคาร์บอนนาโนทิวบ์เรียงตัว" หรือ SACNT-SF (super-aligned carbon nanotube films) ซึ่งเป็นนวัตกรรมที่เกิดจากการนำฟิล์มคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่บางเฉียบและยืดหยุ่นสูง มาจัดเรียงซ้อนกันและม้วนเป็นโครงสร้างหลายชั้น

ผลลัพธ์ที่ได้คือวัสดุที่มีคุณสมบัติทางความร้อนอันน่าทึ่ง ตัวเลขที่ปรากฏในงานวิจัยนั้นสร้างความฮือฮาไปทั่ววงการ เพราะว่า SACNT-SF มีค่าการนำความร้อนประสิทธิผลเพียง 0.004 วัตต์ต่อเมตร-เคลวิน (W m⁻¹ K⁻¹) ที่อุณหภูมิห้อง และยังคงต่ำอย่างเหลือเชื่อที่ 0.03 W m⁻¹ K⁻¹ แม้จะอยู่ในอุณหภูมิสูงถึง 2,600°C ตัวเลขนี้หมายความว่ามันเป็นฉนวนกันความร้อนได้ดีกว่าวัสดุ TIMs ทุกชนิดที่เคยมีรายงานมา

ความลับเบื้องหลังประสิทธิภาพอันน่าทึ่งนี้อยู่ที่โครงสร้างภายในของมันเอง โครงสร้างของ SACNT-SF ที่ซ้อนกันนั้น เต็มไปด้วยพื้นที่ว่าง ทำให้อนุภาคของแข็งที่จะนำพาความร้อนมีอยู่น้อยมาก ขณะเดียวกัน ช่องว่างระดับนาโนเมตรระหว่างทิวบ์แต่ละเส้นก็มีขนาดเล็กเกินกว่าที่โมเลกุลของก๊าซจะเคลื่อนที่เพื่อถ่ายเทความร้อนได้อย่างสะดวก กลไกสองชั้นนี้เองที่ทำให้ SACNT-SF กลายเป็นเหมือนป้อมปราการสกัดกั้นความร้อนได้อย่างสมบูรณ์แบบ

ไม่ใช่แค่ทนร้อน แต่ยังทนทานและใช้งานง่าย

นอกเหนือจากสถิติด้านการกันความร้อนแล้ว SACNT-SF ยังมีความทนทานเป็นเลิศ มันสามารถทนทานต่อการถูกทำให้ร้อนและเย็นสลับกันไปมาซ้ำแล้วซ้ำเล่าโดยไม่เสื่อมสภาพ และยังคงโครงสร้างที่เสถียรได้จนถึง 3,000°C เมื่ออยู่ในสภาพแวดล้อมที่ปราศจากออกซิเจน (บรรยากาศก๊าซอาร์กอน)

ที่สำคัญที่สุดคือ มันมาในรูปแบบของฟิล์มบางราวกับกระดาษและมีความยืดหยุ่นสูง ทำให้สามารถนำไปห่อหุ้มหรือติดตั้งบนพื้นผิวที่มีรูปทรงซับซ้อนได้อย่างง่ายดาย ไม่ว่าจะเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่บอบบาง หรือส่วนโค้งของยานอวกาศ ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบอย่างมหาศาลเมื่อเทียบกับฉนวนเซรามิกที่ทั้งหนา, หนัก และเปราะบาง

ความท้าทายยังที่รออยู่

อย่างไรก็ตาม ท่ามกลางศักยภาพอันไร้ขีดจำกัด SACNT-SF ยังมีจุดอ่อนอยู่หนึ่งอย่าง นั่นคือมันไม่ทนต่อออกซิเจนในอากาศที่อุณหภูมิสูงกว่า 500°C วัสดุจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและถูกเผาไหม้ไปอย่างรวดเร็ว ข้อจำกัดนี้หมายความว่าในปัจจุบัน การใช้งานของมันยังจำกัดอยู่แค่ในสภาวะสุญญากาศหรือสภาพแวดล้อมที่ควบคุมก๊าซได้

แน่นอนว่าทีมวิจัยตระหนักถึงปัญหานี้ดี และเป้าหมายต่อไปของพวกเขาคือการพัฒนาสารเคลือบป้องกัน ที่จะทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันออกซิเจนอีกชั้นหนึ่ง เพื่อให้ SACNT-SF สามารถปลดปล่อยศักยภาพของมันได้อย่างเต็มที่ในสภาวะการใช้งานจริง เช่น ภายในเครื่องยนต์เจ็ตที่ร้อนจัดและเต็มไปด้วยอากาศ

แม้จะยังมีความท้าทายรออยู่ แต่การถือกำเนิดของ SACNT-SF ถือเป็นก้าวกระโดดครั้งสำคัญที่เปิดประตูสู่ความเป็นไปได้ใหม่ๆ ในหลากหลายอุตสาหกรรม และเป็นอีกหนึ่งเครื่องยืนยันว่า การควบคุมสสารในระดับนาโน คือกุญแจสำคัญสู่อนาคตของเทคโนโลยี

ที่มา: Phys.org