เมื่อ “น้ำแข็ง..ยังเป็น『สารกึ่งตัวนำ Semiconductor』โลก..ก็ก้าวไปอีกขั้นหนึ่ง..
[ 3 ก.ย. 2025 ］
ทีมนักวิจัยนานาชาติจากสเปน (สถาบัน ICN2), จีน (มหาวิทยาลัยซีอานเจียวทง) และสหรัฐอเมริกา (มหาวิทยาลัยสโตนีบรูค) ได้ประกาศ..การค้นพบเป็นครั้งแรกในโลกว่า "น้ำแข็งธรรมดา" มีคุณสมบัติที่เมื่อทำให้น้ำแข็งโค้งงอ จะสามารถสร้างกระแสไฟฟ้า..ที่เรียกว่า Flexoelectric effect ได้
รายละเอียดของงานวิจัย“การค้นพบคุณสมบัติไฟฟ้าของน้ำแข็ง”..นี้ได้รับการตีพิมพ์..ในวารสาร Nature Physics เมื่อวันที่ 27 สิงหาคม 2025
ทีมนักวิจัยได้ทดลอง..โดยใช้แผ่นน้ำแข็งบาง ๆ ที่ประกบด้วยขั้วไฟฟ้าโลหะทั้งสองด้าน แล้วใช้แรงที่แม่นยำในการงอและสั่นแผ่นน้ำแข็งเล็กน้อย เพื่อวัดกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้น โดยตรวจสอบอย่างละเอียดว่าไฟฟ้าที่เกิดขึ้นไม่ได้เกิดจากคุณสมบัติแบบไพโซอิเล็กทริก (piezoelectric) แต่เป็นผลจากการงอของวัสดุ (flexoelectric)
ผลการทดลอง
- เมื่องอน้ำแข็ง จะเกิดแรงดันไฟฟ้าชัดเจนตามระดับการงอ
- แสดงให้เห็นว่าน้ำแข็งมีคุณสมบัติ เฟล็กโซอิเล็กทริก (flexoelectric) อย่างแท้จริง
- ค่าความสามารถเฟล็กโซอิเล็กทริกที่วัดได้คือ 1.14 ± 0.13 nC/m ซึ่งใกล้เคียงกับวัสดุเซรามิกไฟฟ้าขั้นสูง เช่น SrTiO₃ และ TiO₂ ที่ใช้ในเซนเซอร์และคอนเดนเซอร์
ในการทดลองน้ำแข็งครั้งนี้..ค้นพบว่า “น้ำแข็งมีคุณสมบัติไฟฟ้าสองแบบ:
- Flexoelectric effect: เกิดขึ้นเมื่อแผ่นน้ำแข็งถูกงอในอุณหภูมิทั่วไป(อุณหภูมิสูงใกล้ 0°C)
- Ferroelectric surface layer: เกิดขึ้นที่พื้นผิวน้ำแข็งเมื่ออยู่ในอุณหภูมิต่ำมาก
ซึ่ง ดร. Xin Wen นักฟิสิกส์นาโนจาก ICN2 อธิบายว่า:”ที่อุณหภูมิต่ำมาก (ต่ำกว่า -113°C หรือ 160K): พบว่าบริเวณผิวน้ำแข็งเกิดชั้นบาง ๆ ที่มีคุณสมบัติ เฟอร์โรอิเล็กทริก(ferroelectric) “ ซึ่งเป็นคุณสมบัติไฟฟ้าอีกแบบหนึ่งที่น่าทึ่ง..เช่นกัน
“พื้นผิวน้ำแข็งสามารถสร้างขั้วไฟฟ้าได้เองตามธรรมชาติ และสามารถกลับทิศทางของขั้วนั้นได้ด้วยสนามไฟฟ้าภายนอก เหมือนกับการกลับขั้ว N และ S ของแม่เหล็ก”
การค้นพบว่า น้ำแข็งธรรมดา (และอาจรวมถึงน้ำในบางสถานะ) ซึ่งเป็นวัสดุธรรมดา กลับมีคุณสมบัติไฟฟ้าที่ซับซ้อนและเปลี่ยนแปลงได้ตามสภาพแวดล้อม สร้างความตื่นเต้นและถือเป็นก้าวสำคัญในวิทยาศาสตร์วัสดุและนาโนเทคโนโลยี เพราะมันเปิดประตูสู่การใช้งานใหม่ ๆ ที่ไม่เคยเป็นไปได้มาก่อนในวัสดุที่เราคิดว่า “ธรรมดา” อย่างน้ำหรือน้ำแข็งที่อาจกลายเป็นหัวใจของเทคโนโลยีแห่งอนาคต เพราะ..ยังไม่มีใครรู้ว่าน้ำแข็งมีพฤติกรรมทางไฟฟ้าแบบนี้มาก่อนและยังช่วยให้เข้าใจปรากฏการณ์ธรรมชาติ เช่น การเกิดฟ้าผ่า ..ได้มากขึ้น anipod.info #anipod
🌲⁂🌲⁂🌲⁂🌲⁂🌲⁂🌲⁂🌲⁂🌲⁂🌲
บทความ จากนิตยสาร academist กล่าวไว้ดังนี้ว่า
ใน..น้ำแข็งซึ่งเป็นสถานะของแข็งของน้ำ แม้จะไม่มีอิเล็กตรอนอิสระและเคลื่อนที่ได้ แต่ก็..สามารถนำไฟฟ้าได้เล็กน้อย สาเหตุคือในโครงสร้างผลึกของน้ำแข็ง (H₂O) ที่เชื่อมกันด้วยพันธะไฮโดรเจน จะมีไอออน H₃O⁺ (เกิดจากโมเลกุลน้ำที่มีโปรตอนเกิน) ปะปนอยู่เล็กน้อย โปรตอนส่วนเกินนี้สามารถถ่ายโอนไปยังโมเลกุลน้ำข้างเคียงได้ต่อเนื่อง ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของประจุบวกภายในน้ำแข็ง และทำให้มันนำไฟฟ้าได้ในระดับหนึ่ง
ทว่า..ในน้ำแข็ง มี..ปริมาณไอออน H₃O⁺ น้อยมาก ทำให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลมีขนาดเล็ก และค่าการนำไฟฟ้าใกล้เคียงกับ“สารกึ่งตัวนำ”.. โดยการเคลื่อนที่ของโปรตอนอย่างต่อเนื่องนั้น..ต้องอาศัยพลังงาน
กลไกการนำไฟฟ้าในน้ำแข็งโดยโปรตอน หรือประจุบวกนี้ถูกเสนอเมื่อราว 200 ปีก่อน เรียกว่า “กลไกกรอตทุส” (Grotthuss mechanism) ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง แต่ก็ยังมีคำถามว่า น้ำแข็งสามารถนำประจุลบ (อิเล็กตรอน) ได้หรือไม่?
นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งข้อสงสัยนี้..มานานกว่าร้อยปี ..แต่ที่ผ่านมาไม่มีหลักฐานยืนยัน จนกระทั่งมีการทดลองโดยสร้างน้ำแข็งบนแผ่นโลหะเย็นในสภาวะสุญญากาศ แล้วฉายรังสีอัลตราไวโอเลตเพื่อศึกษาการสลายตัวของโมเลกุลน้ำ (H₂O) ในผลึกน้ำแข็ง
ระหว่างการทดลอง พบว่ากระแสไฟฟ้าที่วัดได้ในแผ่นโลหะเป็นกระแสลบ แสดงว่ามีอิเล็กตรอนไหลจากภายนอกผ่านน้ำแข็งเข้าสู่แผ่นโลหะ ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านน้ำแข็งได้ และที่สำคัญ กระแสลบนี้สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำด้วยการเปิด–ปิดรังสีอัลตราไวโอเลต
anipod.info #anipod
ความสำคัญของการค้นพบต่างๆ..นี้
- ขยายขอบเขตวัสดุที่ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้า
- เดิมที Flexoelectric effect พบในวัสดุแข็งบางชนิด เช่น เซรามิกหรือผลึกนาโน
- การพบในน้ำแข็งแสดงว่าแม้แต่วัสดุที่ไม่มีโครงสร้างผลึกแบบไม่สมมาตรก็สามารถสร้างไฟฟ้าได้จากการโค้งงอ
- เข้าใจธรรมชาติของน้ำและน้ำแข็งในระดับนาโน
- ช่วยอธิบายพฤติกรรมของน้ำในรูพรุนเล็ก ๆ เช่น ในเซลล์ชีวภาพ หรือในวัสดุกรองระดับนาโน
- อาจเกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณในระบบชีวภาพ เช่น การตอบสนองของเซลล์ต่อแรงกล
- เป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบวัสดุชีวภาพและนาโนอุปกรณ์
- โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบ เช่น อุปกรณ์ฝังในร่างกาย หรือเซ็นเซอร์ในของเหลว
⚙️ แนวทางการใช้งานในอนาคต
การใช้งาน | รายละเอียด |
นาโนเซ็นเซอร์ในของเหลว | ใช้น้ำแข็งหรือวัสดุที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบในการตรวจจับแรงหรือการเคลื่อนไหว |
อุปกรณ์พลังงานขนาดเล็ก | สร้างไฟฟ้าจากการเคลื่อนไหวของน้ำแข็งหรือหยดน้ำในระบบนาโน เช่น นาโนเจนเนอเรเตอร์ |
การแพทย์และชีวภาพ | พัฒนาอุปกรณ์ที่ตอบสนองต่อแรงในเนื้อเยื่อที่มีน้ำ เช่น เซ็นเซอร์ในสมองหรือหัวใจ |
การวิจัยวัสดุใหม่ | ใช้เป็นต้นแบบในการออกแบบวัสดุอัจฉริยะที่มีคุณสมบัติคล้ายกันแต่เสถียรกว่า |
anipod.info #anipod
มาดูกันว่า Flexoelectric effect หรือ ปรากฏการณ์เฟลกโซอิเล็กทริก ทำงานอย่างไรกัน
Flexoelectric effect คือปรากฏการณ์ที่วัสดุ เกิดการแปรผันทางไฟฟ้า (polarization) เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแบบไม่สม่ำเสมอ หรือเกิด “ความเครียดเชิงความชัน” (strain gradient) เช่น การโค้งงอหรือบิดเบี้ยวในระดับนาโน
ต่างจาก Piezoelectric effect ที่เกิดจากแรงกดหรือแรงดึงแบบสม่ำเสมอ
หลักการทำงานของ Flexoelectric
เมื่อวัสดุถูกโค้งงอหรือบิดเบี้ยว:
- โครงสร้างภายในของวัสดุจะเกิดความไม่สมมาตร
- ความเครียดที่ไม่สม่ำเสมอ (strain gradient) จะทำให้เกิดการจัดเรียงของประจุภายใน
- ส่งผลให้เกิด การแปรผันทางไฟฟ้า หรือ แรงดันไฟฟ้า ขึ้นมา
ตัวอย่างเช่น: ถ้าเราดัดแผ่นน้ำแข็งบาง ๆ ในระดับนาโน มันจะสร้างแรงดันไฟฟ้าเล็ก ๆ ขึ้นมาได้เอง!
จุดเด่นที่ทำให้ Flexoelectric น่าสนใจ
- ทำงานได้แม้ในวัสดุที่ไม่มีคุณสมบัติ Piezoelectric เช่น น้ำแข็ง หรือกระดูกบางชนิด
- มีประสิทธิภาพสูงในระดับนาโน
- ตอบสนองต่อแรงโค้งงอที่เล็กมาก ทำให้เหมาะกับอุปกรณ์ขนาดจิ๋ว จึงถูกนำไปใช้ในการออกแบบ เซ็นเซอร์นาโน, อุปกรณ์เก็บพลังงาน, และ วัสดุชีวภาพ
⁂＊คุณสมบัติ Piezoelectric คือเกิดได้เฉพาะในวัสดุ ไม่มีสมมาตรศูนย์กลาง (non‑centrosymmetric) อยู่ภายในผลึก เพื่อให้แรงกด/ดึงทำให้เกิดการแยกประจุ
＊⁂ สมมาตรศูนย์กลางคือ..ถ้าเราเลือกจุดหนึ่งในโครงสร้าง แล้วลากเส้นผ่าน จุดศูนย์กลางสมมาตร ไปอีกด้านหนึ่ง ก็จะพบอะตอมหรือองค์ประกอบที่เหมือนกัน อยู่ในตำแหน่งตรงข้ามกันพอดี และห่างจากจุดศูนย์กลางเท่ากัน
🌲⁂🌲⁂🌲⁂🌲⁂🌲⁂🌲⁂🌲⁂🌲⁂🌲
ปรากฏการณ์ Flexoelectric effect กำลังกลายเป็นหัวใจสำคัญในหลายอุตสาหกรรม โดยเฉพาะในยุคที่วัสดุนาโนและอุปกรณ์อัจฉริยะมีบทบาทมากขึ้น
ตัวอย่างการใช้งานในอุตสาหกรรม
อุตสาหกรรม | การประยุกต์ใช้ Flexoelectric Effect |
อิเล็กทรอนิกส์ | ใช้สร้าง เซ็นเซอร์แรงดัน, ตัวตรวจจับการเคลื่อนไหว, และ อุปกรณ์ตรวจจับนาโน ที่มีความไวสูง |
การแพทย์ | พัฒนา อุปกรณ์ฝังในร่างกาย เช่น เซ็นเซอร์ตรวจจับแรงในเนื้อเยื่อ หรืออุปกรณ์วินิจฉัยที่ตอบสนองต่อแรงกด |
พลังงาน | ใช้ใน อุปกรณ์เก็บพลังงาน ที่เปลี่ยนแรงกลเป็นไฟฟ้า เช่น นาโนเจนเนอเรเตอร์ สำหรับอุปกรณ์พกพา |
การบินและอวกาศ | ใช้ใน วัสดุอัจฉริยะ ที่สามารถตรวจจับความเครียดหรือแรงดึงในโครงสร้างของเครื่องบินหรือดาวเทียม |
หุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติ | พัฒนา ผิวสัมผัสอัจฉริยะ ที่ตอบสนองต่อแรงสัมผัสหรือการโค้งงอ เพื่อให้หุ่นยนต์มีความรู้สึกเหมือนมนุษย์ |
anipod.info #anipod
Post a comment
Sign in with Google to post a comment
2 comments
All Rights Reserved © 2025
Cameron Williamson
Duis hendrerit velit scelerisque felis tempus, id porta libero venenatis. Nulla facilisi. Phasellus viverra magna commodo dui lacinia tempus. Donec malesuada nunc non dui posuere, fringilla vestibulum urna mollis. Integer condimentum ac sapien quis maximus.
Rahabi Khan
Pellentesque habitant morbi tristique senectus et netus et malesuada fames ac turpis egestas. Suspendisse lobortis cursus lacinia. Vestibulum vitae leo id diam pellentesque ornare.
Rahabi Khan
Duis hendrerit velit scelerisque felis tempus, id porta libero venenatis. Nulla facilisi. Phasellus viverra magna commodo dui lacinia tempus. Donec malesuada nunc non dui posuere, fringilla vestibulum urna mollis. Integer condimentum ac sapien quis maximus.