ความธรรมดาที่ไม่ธรรมดาของ “ ทราย ”

รูปที่ 1 Glass structure

วัสดุต่างๆ ที่เป็นแก้ว เช่น ขวดน้ำ กระจก และอื่นๆอีกมากมายที่พบเห็นในชีวิตประจำวัน หลายคนคงทราบกันดีอยู่แล้วว่าแก้วนั้นมีทรายเป็นองค์ประกอบหลัก แต่เคยทราบไหมว่าทรายแท้ที่จริงแล้วคืออะไร กระบวนการผลิตเป็นอย่างไร ทำไมแก้วถึงมีหลากหลายสี ทำไมถึงมีความโปร่งใส แล้วนอกจากทำเป็นกระจกแล้วยังนำไปใช้ทำอะไรได้อีก


ทรายหรือซิลิกาที่ใช้สำหรับผลิตแก้วคือซิลิกอนไดออกไซด์(SiO₂)และต้องมีปริมาณของซิลิกามากกว่า 95% และมีเหล็ก (Fe₂O₃) อลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) นอกจากนี้ยังอาจประกอบด้วยธาตุอื่นๆเจือปนอีกเล็กน้อย สำหรับการผลิตแก้วนั้นใช้วิธีการหลอมที่อุณหภูมิสูง ซิลิกามีจุดหลอมเหลวประมาณ 1700 – 1800℃ ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่สูงมาก จึงต้องผสมสารเคมีบางชนิดเพื่อลดอุณหภูมิในการหลอมหรือลดจุดหลอมเหลวของซิลิกา สารเคมีนั้นก็คือ โซเดียมคาร์บอเนต (Na₂CO₃) โซเดียมออกไซด์ (Na₂O) หรือ โพแทสเซียมคาร์บอเนต (K₂CO₃) จุดหลอมเหลวจะลดลงเหลืออยู่ที่ประมาณ 1000 – 1400℃ (จุดหลอมเหลวที่ลดลงจะขึ้นอยู่กับสัดส่วนในการเติมสารเคมี) แต่สารเคมีที่เติมลงไปยังมีผลข้างเคียงที่ทำให้แก้วนั้นละลายน้ำ!! ใช่ครับอ่านไม่ผิด แก้วสามารถละลายน้ำได้ ดังนั้นสัดส่วนที่เติมจะต้องมีความพอดีหรืออาจแก้ด้วยการเติมแคลเซียมคอร์บอเนต (CaCO₃) เพื่อลดการละลายน้ำของแก้ว ทรายเมื่อให้ความร้อนจนหลอมละลายแล้วจะมีลักษณะเป็นของเหลวมีความหนืด เทใส่แม่พิมพ์ที่ต้องการ ถ้าอัตราการเย็นตัวของแก้วเหลวเร็วกว่าเวลาที่ใช้สำหรับกระบวนการเกิดนิวเคลียส (Nucleation) หรือการเกิดผลึก แก้วที่เย็นตัวลงจะไม่เกิดผลึก บางครั้งอาจเรียกว่า ของเหลวเย็นยิ่งยวด (Supercooled liquid) 

รูปที่ 2 กระบวนการผลิตแก้ว

แก้วเป็นวัสดุเซรามิกที่มีลักษณะโปร่งใสและบางชนิดโปร่งแสง เป็นหนึ่งในวัสดุที่มีความคงทน แต่หากอยู่ในสภาวะที่มีความเครียดจะมีความต้านทานที่จำกัดและทำให้แก้วแตกได้ง่าย เนื่องจากโครงสร้างไม่มีผลึก อะตอมเรียงตัวกันอย่างไม่เป็นระเบียบ (ของแข็งทั่วไปจะมีการจัดเรียงของอะตอมเป็นระเบียบและสมมาตร) สำหรับการเกิดสีในแก้ว เกิดจากการดูดกลืนแสงที่แตกต่างกันของแก้ว และแสงที่ส่องผ่านออกมากระทบตาเราจึงมองเห็นเป็นสีต่างๆ วัสดุที่สามารถดูดกลืนแสงได้ทุกความยาวคลื่น วัสดุนั้นจึงทึบแสง นั่นเพราะไม่มีแสงที่ส่องผ่าน (Transmission) ออกมา วัสดุที่ดูดกลืนแสงบางความยาวคลื่น และมีแสงบางความยาวคลื่นส่องผ่านออกมา วัสดุนั้นจะแสดงสีตามความยาวคลื่นที่ผ่านออกมา (แสงขาวหรือแสงที่ตามองเห็นมีช่วงความยาวคลื่นประมาณ 380 – 780 nm) บางครั้งอาจมีการผสมกันของสเปกตรัมของแสงทำให้ได้เฉดสีต่างๆ ขึ้นอยู่กับการดูดกลืนแสงของวัสดุนั้นๆ ที่สำคัญการเกิดสียังอยู่ที่วัตถุดิบในการผลิตแก้ว โดยทั่วไปสารเคมีที่เติมจะเป็นโลหะออกไซด์ในกลุ่มของทรานซิชัน (Transition metals) และโลหะหายาก (Rare earth elements) ธาตุพวกนี้จะมีความซับซ้อนของการให้สี เนื่องจากมีหลายสถานะออกซิเดชัน ซึ่งแต่ละสถานะออกซิเดชันจะให้สีที่แตกต่างกันออกไปเช่น  ไอออนของเหล็กเฟอรัส (Fe²⁺) จะดูดกลืนแสงช่วงความยาวคลื่น 1050 nm ทำให้เกิดสีเขียวอมน้ำเงิน ส่วนไอออนของเหล็กเฟอริก (Fe³⁺) ดูดกลืนแสงช่วงความยาวคลื่น 380 nm ทำให้เกิดสีเขียวอ่อนอมเหลือง นอกจากนี้ยังมีธาตุที่ให้สีอื่นอยู่เช่น แมงกานีส (Mn) ทำให้เกิดสีม่วง  คอปเปอร์ (Cu) ทำให้เกิดสีฟ้าหรือสีแดง  ยูเรเนียม (U) เกิดสีเหลือง  คาร์บอน (C) เกิดสีน้ำตาล อำพัน  ตะกั่ว (Pb⁺) แอนติโมนี (Sb) ให้สีเหลือง เป็นต้น 
 

รูปที่ 3 แถบช่องว่างพลังงาน

ทำไมแก้วถึงมีลักษณะโปร่งใส? คงต้องพูดถึงแถบพลังงาน (Band structure) แก้วนั้นเป็นวัสดุประเภทเซรามิกจัดเป็นฉนวน (Insulator) จึงมีแถบช่องว่างพลังงานที่กว้าง (> 3 eV) เมื่อแสงมากระทบกับแก้ว อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นทำให้อยู่ในสถานะกระตุ้น (Excited state) ซึ่งก็คือการดูดกลืนแสงนั่นเอง และคายพลังงานออกมาในรูปของแสงที่ความยาวคลื่นต่างๆ อิเล็กตรอนจะสามารถเปลี่ยนชั้นพลังงานไปอยู่ในสถานะกระตุ้นได้ต้องมีพลังงานที่มากกว่าแถบช่องว่างพลังงาน (Energy gap) ถ้าแถบช่องว่างพลังงานน้อยกว่า 1.7 eV จะดูดกลืนแสงในทุกช่วงความยาวคลื่นจึงมีสีดำ ถ้าแถบช่องว่าพลังงานมากกว่า 3.1 eV  จะไม่ดูดกลืนทุกช่วงความยาวคลื่นของแสง จึงไม่มีสี (Colorless) หรือโปร่งใส และถ้าแถบช่องว่างพลังงานอยู่ในช่วง 1.7 – 3.1 eV ก็จะเกิดการดูดกลืนคลื่นแสงหรือเกิดสีนั่นเอง (พลังงานแสงสีน้ำเงินมีค่า 3.1 eV และพลังงานแสงสีแดงมีค่า 1.7 eV) 
 

รูปที่ 4 การดูดกลืนแสงในวัสดุกึ่งตัวนำและฉนวน

นอกจากทรายจะนำไปทำเป็นกระจกแล้วยังนำไปใช้ทำอะไรได้อีก? เนื่องจากแก้วนั้นมีสมบัติที่ดีหลายอย่างและสามารถปรับปรุงสมบัติต่างๆ ได้ด้วยการเติมสารเคมีระหว่างกระบวนการผลิตแก้ว ซึ่งสามารถทำให้มีสีต่างๆ มีความโปร่งใส  โปร่งแสงหรือทึบแสงได้ตามต้องการ สามารถทำให้อ่อนตัวได้ด้วยความร้อน  ออกแบบทำเป็นรูปร่างต่างๆได้  อีกทั้งยังทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ดี ทนความร้อนสูง มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ มีความเสถียรทางเคมีสูงที่อุณหภูมิปกติ  ไม่ทำปฏิกิริยากับกรดและด่างเกือบทุกชนิด เป็นฉนวนความร้อนและไฟฟ้าที่ดี มีความแข็งแรงสูงรับแรงอัดและแรงดึงได้ดียกเว้นแรงกระแทก และยังป้องกันการซึมผ่านของน้ำและอากาศได้ดี จึงเป็นวัสดุที่น่าสนใจอีกชนิดหนึ่ง วัสดุแก้วสามารถนำมาประยุกต์เป็นกระจกหน้าจอ LCDs, เส้นใยแก้วนำแสง, เลเซอร์โฮสต์ (Laser host), กระจกนิรภัย และสำหรับงานที่เกี่ยวข้องกับรังสี แก้วสามารถนำมาประยุกต์ใช้เป็นเครื่องวัดปริมาณรังสีแบบเทอร์โมลูมิเนสเซนต์ (TLD), การผนึกกากกำมันตรังสีด้วยแก้ว และกระจกกำบังรังสี โดยเฉพาะกระจกกำบังรังสีที่เป็นกระจกแต่มีความสามารถในการกำบังรังสีเอกซ์ (X-ray) และรังสีแกมมา โดยทั่วไปการกำบังรังสีเอกซ์และรังสีแกมมาจะใช้คอนกรีต แต่เพราะคอนกรีตทึบแสง แตกหักหรือเกิดรอยร้าวได้ง่าย น้ำสามารถซึมผ่านได้ จึงมีการนำแก้วมาแทนเนื่องจะมีความโปร่งใส และมีความแข็งแรง จากที่กล่าวมาจะเห็นได้ว่าแก้วนั้นสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้มากมาย จากทรายธรรมดากลายเป็นแก้ว สามารถพบเห็นได้ทั่วไป แต่สมบัติต่างๆ ของแก้วนั้นไม่ธรรมดาเลย บทความหน้าจะมาอธิบายว่าทำไมแก้วถึงมีความสามารถในการกำบังรังสีได้ ? . . .



 

เรียบเรียงโดย

ณัฎฐ์สุพล ชุติธนภานนท์
นักศึกษาโครงการปริญญาเอกกาญจนาภิเษก(คปก.) คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี

• [1] เทพีวรรณ จิตรวัชรโกมล, แก้วตะกั่วกับพลอย, ศูนย์เชี่ยวชาญด้านแก้ว กรมวิทยาศาสตร์บริการ, สืบค้นเมื่อ 2 มิถุนายน พ.ศ. 2562
• [2] จิราพันธ์ ดรรชนีเพชร, Physical properties and structures of chromium doped bismuth glasses, มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 2554. สืบค้นเมื่อ 2 มิถุนายน พ.ศ. 2562
• [3] วรรณวิลัย ไชยสาร, PROPERTIES OF MATERIALS II, ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. สืบค้นเมื่อ 2 มิถุนายน พ.ศ. 2562
• [4] เชิดศักดิ์ บุตรจอมชัย, Materials Properties, มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี, 2558.
• [5] Jemes E. Shelby, Introduction to glass science and technology, The Royal Society of Chemisty 1997(208).
• [6] สมพร จองคำ, พลังงานนิวเคลียร์กับการพัฒนาประเทศ.กรุงเทพฯ: สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ, 2542.http://www.oaep.go.th/nstkc/content/view/11/29/1/2/, สืบค้นเมื่อ 2 มิถุนายน พ.ศ. 2562
• [7] ธีระพงษ์ พวงมะลิ, นาโนฟิสิกส์, คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น, 2557
• [8] จิรโรจน์ ต.เทียนประเสริฐ, Solid State Theory, ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์