ทีมวิจัยอังกฤษ-สหรัฐฯ แปลงเส้นไหมเป็นวัสดุพลาสติกใส แข็งกว่าโลหะหลายชนิด ทนเจาะทะลุ และบิดคลื่นในย่านความถี่ 6G ได้

ทีมวิจัยจาก Imperial College London, University of Michigan Engineering และ Tufts University ค้นพบวิธีนำเส้นไหมมาหลอมรวมเป็นวัสดุใสคล้ายพลาสติก ที่นอกจากจะแข็งแรงกว่าโลหะผสมหลายชนิดและพลาสติกทั่วไปแล้ว ยังสามารถบิดคลื่นแสงในย่านความถี่เทระเฮิรตซ์ (Terahertz) ซึ่งเป็นย่านที่เครือข่าย 6G จะใช้งานในอนาคต

ผลการศึกษาที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Sustainability ชี้ว่าวัสดุชนิดใหม่นี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย ตั้งแต่อุปกรณ์กีฬา บรรจุภัณฑ์ขนส่ง ไปจนถึงชิ้นส่วนเครือข่ายโทรคมนาคมยุคถัดไป และในการทดสอบยิงกระสุน วัสดุดังกล่าวยังทนทานต่อการเจาะทะลุได้พอ ๆ กับวัสดุพอลิเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon-Fiber-Reinforced Polymers) ที่ใช้ในตัวเครื่องบินและตัวถังรถยนต์

ความหวังของเครือข่าย 6G ที่ส่งข้อมูลเร็วกว่า 5G ได้ร้อยเท่า

จุดที่ทีมวิจัยให้ความสนใจเป็นพิเศษคือความสามารถของวัสดุในการบิดทิศทาง (Polarize) ของคลื่นแสงในย่านความถี่เทระเฮิรตซ์ ซึ่งคลื่นย่านนี้คือสิ่งที่เครือข่าย 6G จะนำมาใช้ส่งข้อมูลในอนาคต โดยคาดว่าจะเร็วกว่า 5G ได้ถึงหลายร้อยเท่า และเหมาะกับการให้บริการอินเทอร์เน็ตความเร็วสูงในพื้นที่ชนบท

การบิดทิศทางของคลื่นแสงเป็นอีกวิธีหนึ่งในการเข้ารหัสข้อมูล ซึ่งช่วยเปิดช่องสัญญาณเพิ่มขึ้นได้ แต่การทำให้คลื่นบิดเป็นวงรี (Elliptical Polarization) อย่างที่เห็นในวัสดุไหมชนิดนี้ ไม่ใช่เรื่องง่ายในทางวิศวกรรม ทีมวิจัยพบว่าสามารถปรับระดับการบิดของคลื่นได้ ด้วยการเปลี่ยนอุณหภูมิและแรงดันในขั้นตอนการอัดเส้นไหม

Nick Kotov ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีจาก U-M และผู้ร่วมเขียนงานวิจัยอธิบายว่า "การออกแบบวัสดุที่มีคุณสมบัติทางแสงในย่านเทระเฮิรตซ์ ที่หมุนคลื่นแสงได้และเกือบจะใส (Transparent) ไปพร้อมกัน เป็นเรื่องที่ทำได้ยากมาก วัสดุคอมโพสิตนี้พิเศษตรงที่ทำได้ในย่านความถี่ซึ่งจำเป็นต่อเทคโนโลยีอนาคตหลายอย่าง ปกติแล้ววัสดุที่มาจากชีวภาพมักดูดซับแสงเทระเฮิรตซ์ได้แรงมาก จนแสงผ่านออกมาได้น้อยมาก"

รักษาโครงสร้างของเส้นไหมไว้ คือกุญแจสำคัญ

คุณสมบัติที่โดดเด่นของวัสดุชนิดนี้มาจากโครงสร้างทางเคมีของเส้นไหม ที่ประกอบด้วยส่วนเรียงตัวเป็นระเบียบและส่วนที่ไม่เป็นระเบียบสลับกัน เส้นใยไหมทำจากสายโซ่ยาวของกรดอะมิโนหลายชนิด ในบางช่วงของสายโซ่ ลำดับของกรดอะมิโนจะสุ่มและก่อตัวเป็นกลุ่มที่ไม่มีรูปร่างชัดเจน (Amorphous) ในขณะที่บางช่วง กรดอะมิโนจะเรียงตัวซ้ำเป็นรูปแบบ ทำให้สายโซ่พับเป็นแผ่นผลึกที่บิดเกลียวอย่างเป็นระเบียบ การผสมผสานของโครงสร้างทั้งสองแบบนี้ คือสิ่งที่ทำให้ไหมเหนียวและยืดหยุ่นในเวลาเดียวกัน

Chunmei Li ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์จาก Tufts University และผู้ร่วมเขียนงานวิจัยกล่าวว่า "มันแข็งแรงน่าประหลาดใจสำหรับสิ่งที่ยืดหยุ่นขนาดนี้ ด้วยกระบวนการแปรรูป เราสามารถพาไหมไปได้ไกลเกินกว่าวัสดุชีวภาพชนิดอื่น ๆ"

กระบวนการผลิตเริ่มจากการให้ความร้อนเส้นใยไหมที่ 257-419 องศาฟาเรนไฮต์ ภายใต้แรงดัน 1,900-9,800 บรรยากาศ น้ำในเส้นไหมจะระเหยออก และส่วนที่ไม่เป็นระเบียบจะหลอมรวมเข้าด้วยกันเป็นแผ่นเดียว โดยไม่ทำลายโครงสร้างผลึกที่พับซ้อนกันอยู่ภายในเส้นใย

ลักษณะภายนอกของวัสดุยังเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิและแรงดันที่ใช้ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 203 องศาฟาเรนไฮต์ เส้นใยจะหลอมรวมไม่สมบูรณ์ มีรูพรุนและช่องว่าง วัสดุจะออกขุ่น เมื่อเพิ่มความร้อนและแรงดัน วัสดุจะกลายเป็นใส และค่อย ๆ ออกสีอำพันมากขึ้น แต่ถ้าร้อนเกิน 473 องศาฟาเรนไฮต์ วัสดุจะเริ่มทึบแสง ทำให้ทีมวิจัยสามารถเลือกคุณสมบัติทางแสงของวัสดุได้ผ่านการปรับสองตัวแปรนี้

Emiliano Bilotti รองศาสตราจารย์ด้านพอลิเมอร์คอมโพสิตจาก Imperial College London และผู้เขียนหลักของงานวิจัยอธิบายว่า "คุณสมบัติพิเศษของไหมมาจากโครงสร้างจุลภาคแบบลำดับชั้น ที่มีโดเมนผลึกฝังตัวอยู่ในสถาปัตยกรรมหลายระดับที่ซับซ้อน เราต้องการรักษาสภาพดั้งเดิมของเส้นใยให้ได้มากที่สุด"

ที่ผ่านมา ความพยายามผลิตวัสดุคล้ายพลาสติกจากไหมมักต้องนำไหมไปละลายในตัวทำละลายเคมี แล้วจึงทำให้แห้งเป็นผง แม้วัสดุที่ได้จะแข็งแรงกว่าพลาสติกทั่วไป แต่โครงสร้างผลึกของไหมส่วนใหญ่จะสูญเสียไปในกระบวนการ

ลดของเสียจากอุตสาหกรรมแฟชั่นและสิ่งทอ

หนึ่งในแรงจูงใจสำคัญของทีมวิจัยคือการลดขยะในอุตสาหกรรมแฟชั่นและสิ่งทอ Bilotti ระบุว่า "ถ้าคุณกู้เส้นใยยาว ๆ คืนมาได้ คุณก็เอาไปทอใหม่ได้ แต่เมื่อเส้นใยสั้นลงเรื่อย ๆ ก็ไม่มีวิธีรีไซเคิลอื่นใด นอกจากนำไปละลายเป็นผง ผมไม่เคยเชื่อว่านั่นเป็นทางออกที่ยั่งยืน"

วิธีการใหม่นี้ไม่ต้องใช้สารละลายเคมี เกลือ และน้ำในปริมาณมาก การเตรียมเส้นใยก่อนเข้ากระบวนการมีเพียงการต้มไหมเพื่อกำจัดโปรตีนธรรมชาติที่ชื่อ Sericin ซึ่งทำหน้าที่ยึดเส้นใยให้รวมเป็นเส้นด้าย แม้แต่เส้นใยเล็ก ๆ ก็สามารถนำมาอัดเป็นแผ่นได้ Li กล่าวว่า "มันเป็นกระบวนการขั้นตอนเดียวที่เรียบง่ายมาก"

สถานะปัจจุบันและแผนต่อไปในอนาคต

ขณะนี้ทีมวิจัยกำลังศึกษาวิธีขยายกระบวนการผลิตให้รองรับวัสดุขนาดใหญ่และรูปทรงที่ซับซ้อนขึ้น พร้อมกับประเมินวงจรชีวิตของผลิตภัณฑ์เพื่อวัดประโยชน์ด้านความยั่งยืนอย่างครบถ้วน นอกจากนี้ยังศึกษาการนำวัสดุไหมหลอมไปใช้กับเซ็นเซอร์และการประยุกต์ใช้อื่น ๆ พร้อมมองหาพันธมิตรในภาคอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์เพื่อช่วยขยายกระบวนการและนำวัสดุออกสู่ตลาด

เนื่องจากวัสดุชนิดนี้ค่อย ๆ ย่อยสลายเมื่อฝังในร่างกายของหนูทดลอง ทีมวิจัยจึงมองว่ามันอาจมีประโยชน์ในการทำอุปกรณ์ฝังในร่างกายชนิดชั่วคราว (Temporary Medical Implants) ในอนาคตอีกด้วย

งานวิจัยนี้ได้รับทุนสนับสนุนจาก U-M Center for Complex Particle Systems (COMPASS) ซึ่งเป็นศูนย์วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในเครือ National Science Foundation ของสหรัฐฯ ร่วมกับ Air Force Office of Scientific Research, Engineering and Physical Sciences Research Council ของสหราชอาณาจักร และทุน Tufts Launchpad Accelerator

ที่มา: University of Michigan Engineering News, Phys.org, Nature Sustainability