การเคลื่อนที่ของโปรตอนเดี่ยวบริเวณผิวสัมผัสของหยดน้ำกับของแข็ง

          ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่เล็กและเบาที่สุด เมื่อไฮโดรเจนกับออกซิเจนผสานรวมกันก็จะกลายเป็น "น้ำ" ซึ่งเป็นสสารมหัศจรรย์ที่เป็นต้นกำเนิดของสรรพชีวิต บรรพบุรุษของเราทราบมานานหลายพันปีแล้วว่าน้ำในธรรมชาติมีอยู่ 3 สถานะ คือ ของแข็ง ของเหลว และแก๊ส หากน้ำจำนวนหนึ่งสัมผัสกับวัตถุก็จะทำให้พื้นผิวของวัตถุเปียกแฉะ ชุ่มชื้น หรือรักษาสภาพเป็นหยดน้ำเหมือนกับน้ำที่กลิ้งอยู่บนใบบัว การศึกษาเกี่ยวกับแรงตึงผิว (Surface Tension) และมุมสัมผัส (Contact Angles) ซึ่งใช้อธิบายสมบัติในการทำให้เปียก (Wetting Capability) สามารถคำนวณได้ด้วยสมการของยัง (Young’s Equation) ที่ประกอบด้วยความสัมพันธ์ระหว่างมุมสัมผัส พลังงานอิสระของพื้นผิววัตถุ พลังงานอิสระของของเหลว และพลังงานอิสระระหว่างพื้นผิวสัมผัสของวัตถุกับของเหลว            จากจากสมการของยัง \(Y^{SV}=Y^{sl}+Y^{lv}\)\(cos\theta\) (1)ที่กล่าวไปข้างต้น เมื่อหยดน้ำลงบนวัสดุจะเกิดแรงตึงผิว(surface tension)ทำให้เกิดมุมกระทำระหว่าง ของเหลว ของแข็ง และแก๊ส คือ \(Y^{S}\) \(=\) เป็นแรงตึงผิวของของแข็ง,\(Y^{l}\) \(=\) มาจากแรงตึงผิวของของเหลว,\(Y^{v}=\) แรงตึงผิวของแก๊ส และ สุดท้าย \(\cos\theta=\) คือมุมที่กระทำของแรงตึงผิวระหว่าง ของแข็ง ของเหลว แก๊ส


          จากสมการ⁽¹⁾จัดรูปสมการใหม่ให้ดูง่ายขึ้นจะได้เป็น \(\frac{Y^sv-Y^sl}{Y^lv}=\cos\theta\) ก็จะกระจ่างที่ว่า ทำไมเทอมของ cosθ ถึงเป็นตัวแทนของมุมที่กระทำของแรงตึงผิวระหว่าง ของแข็ง ของเหลว และ แก๊ส


          สมการดังกล่าวถูกเสนอไว้เมื่อราว 200 ปีก่อนโดยโทมัส ยัง (Thomas Young) ซึ่งเป็นทั้งนักฟิสิกส์ นักปรัชญา แพทย์ นักภาษาศาสตร์ และนักอียิปต์วิทยา ผลงานที่โดดเด่นของเขาคือการทดลองเกี่ยวกับการแทรกสอดของแสงผ่านสลิตคู่ (Double-Slit Experiment) การกำหนดความแข็งแรงของวัตถุด้วยมอดูลัสของยัง (Young's Modulus) การสร้างทฤษฎีเกี่ยวกับการมองเห็นและสี (Young–Helmholtz Theory) การสร้างสมการอธิบายมุมสัมผัสของของไหลบนพื้นผิวของของแข็ง (Young–Dupré Equation) การสร้างสมการอธิบายปรากฏการณ์คาปิลารี (Young–Laplace Equation) นอกจากนี้ เขายังมีผลงานด้านการแพทย์เกี่ยวกับการอธิบายการทำงานของหัวใจและการไหลของเลือด (Hemodynamics) ด้านภาษาศาสตร์ ด้านดนตรี รวมถึงเป็นผู้ที่พยายามแปลอักษรเฮียโรกลิฟฟิกบนศิลาโรเซ็ตตา (Rosetta Stone) แต่ประสบความล้มเหลว


          เมื่อทราบทฤษฎีพื้นฐานที่โทมัส ยัง วางรากฐานเอาไว้แล้ว ต่อไปเราจะพิจารณาน้ำหยดหนึ่ง โดยเราจะพบว่าน้ำเป็นของเหลวที่ใสบริสุทธิ์ เพราะดวงตาของเราหยาบเกินไปจนไม่สามารถมองเห็นหรือแยกแยะได้ว่าส่วนใดคือไฮโดรเจนและส่วนใดคือออกซิเจน ในกรณีของโปรตอนที่เป็นอนุภาคขนาดเล็กย่อมไม่ต้องพูดถึง แต่ความจริงแล้วภายในหยดน้ำจะมีโปรตอนเดี่ยว (Single Proton) ที่ไม่ได้ถูกยึดเหนี่ยวด้วยพันธะอยู่จำนวนหนึ่ง สิ่งที่น่าสนใจคือโปรตอนเดี่ยวเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ในลักษณะคล้ายกับการกระโดดจากน้ำโมเลกุลหนึ่งไปยังน้ำอีกโมเลกุลหนึ่งได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เข้าในพฤติกรรมดังกล่าวมาเป็นระยะเวลาหนึ่งแล้ว


          แต่ปรากฏการณ์ที่นักวิทยาศาสตร์กำลังให้ความสนใจอยู่ในปัจจุบันก็คือพฤติกรรมของโปรตอนเดี่ยวที่เคลื่อนที่อยู่ระหว่างพื้นผิวสัมผัสของหยดน้ำกับของแข็ง (Water-Solid Interfaces) จากงานวิจัยที่ตีพิมพ์ลงในวารสาร Nature Nanotechnology ที่ถูกรายงานเมื่อเดือนพฤษภาคมที่ผ่านมาโดย Jean Comtet นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ EPFL's School of Engineering (STI) และนักวิจัยจาก Department of Chemistry at the École Normale Supérieure (ENS) ที่ศึกษาเกี่ยวกับพฤติกรรมของโปรตอนเดี่ยวและประจุเดี่ยวบริเวณพื้นผิวสัมผัสของน้ำกับผลึกที่มีผิวเรียบของ Boron Nitride โดยนักวิจัยได้ใช้กล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูง (Super-Resolution Microscope) ในการตรวจสอบพื้นผิวของผลึกที่ระดับความลึกประมาณ 10 นาโนเมตร พวกเขาพบว่าผลึกเหล่านี้จะมีโครงสร้างที่ไม่สมบูรณ์เรียกว่า ความไม่สมบูรณ์ของผลึก (Crystal Imperfection) หรือ ข้อบกพร่องของผลึก (Crystal Defects) ซึ่งเปรียบเสมือน “ช่องว่าง” ที่ทำให้โปรตอนเดี่ยวภายในน้ำสามารถเคลื่อนที่ผ่านเข้าไปได้

            โดยการรวมกลุ่มของจุดที่ไม่สมบูรณ์สามารถเกิดเป็นช่องว่างแบบ 3 มิติที่สามารถส่งผลต่อพฤติกรรมและสมรรถนะของวัตถุได้ แต่สิ่งที่น่าสนใจคือเมื่อจุดที่ไม่สมบูรณ์ของผลึกสัมผัสกับน้ำจะทำให้เกิดการเรืองแสง (Fluorescence) ตามเส้นทางที่โปรตอนเดี่ยวภายในน้ำเคลื่อนที่ผ่าน กล่าวคือการเรืองแสงดังกล่าวเกิดจากการเคลื่อนที่ของโปรตอนเดี่ยวจากจุดที่ไม่สมบูรณ์หนึ่งไปยังจุดที่ไม่สมบูรณ์อีกแห่งหนึ่ง


          แม้การค้นพบดังกล่าวจะยังไม่ถูกประยุกต์ใช้อย่างเป็นรูปธรรม แต่ศาสตราจารย์ Aleksandra Radenovic แห่ง EPFL's Laboratory of Nanoscale Biology (LBEN) ก็กล่าวว่า “ผลการศึกษานี้อาจทำให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจกระบวนการต่างๆ เช่น การทำงานของผิวสัมผัสของเยื่อหุ้มเซลล์ (Cell-Membrane Interface) การออกแบบตัวกรอง และการออกแบบแบตเตอรี่มากขึ้น”


         เห็นไหมครับ แม้กระทั่งน้ำที่หยดลงบนของแข็งที่เราเห็นจนชินตา เมื่อพิจารณาลงไปในระดับเล็กๆ ก็ยังมีปรากฏการณ์ที่น่าสนใจให้เราศึกษาอีกหลายอย่าง

 

อ้างอิง

• หนังสือ Foundations of Materials Science and Engineering 4th edition โดย Professor William Fortune Smith, Ph.D. และ Professor Javad Hashemi, Ph.D.
• https://phys.org/news/2020-05-protons-water-solid-interfaces.html?fbclid=IwAR1jcUbvJ1Z-7873KsMxIJRYPmPp9FcPlM8UrttnhMiNO-fUkNzWVAMe274
• https://www.mat-tech.com/en/basics-of-wetting-youngs-equation-2/?fbclid=IwAR2xFveHrXSyZPtBJ8zyplzg_-8Tw6FpY-ngVwvP7HlxluWWfLYzt_nukEw
• https://study.com/academy/lesson/young-helmholtzs-trichromatic-theory-of-color-vision.html
• http://polymerdatabase.com/polymer%20physics/Work%20of%20Adhesion.html
• http://farside.ph.utexas.edu/teaching/336L/Fluidhtml/node41.html