โลกยุคใหม่ขับเคลื่อนด้วยแก้ว วัสดุที่กลายเป็นของสำคัญต่อมนุษยชาติ

แก้วมาแรง เมื่อแก้วบิดงอได้ และแก้วกระดอนได้ โลกยุคใหม่ขับเคลื่อนด้วยแก้ว วัสดุที่กลายเป็นของสำคัญต่อมนุษยชาติ

บ่ายอากาศเย็นสบายวันหนึ่งของเดือนมีนาคม คาซูฮิโกะ อากิบะ และเพื่อนร่วมงานอีกคน ยืนอยู่ในลานของโรงงานผลิตแก้วชิบะโคกากุในญี่ปุ่น พร้อมเผยโฉมผลงานสร้างสรรค์ล่าสุดของพวกเขา รถยกนำหม้อดินเผาขนาดพอๆกับอ่างอาบน้ำออกมา กลุ่มผู้ชายสวมแว่นนิรภัยและถุงมือ จากนั้นแต่ละคนก็คว้าค้อนปอนด์ขึ้นมาหวดลงบนขอบของหม้อที่ว่าเผยให้เห็นของล้ำค่าภายใน สารที่มีลักษณะแข็ง เปล่งประกาย ล้อแสงอาทิตย์ยามบ่าย มันทอแสงเรืองสีฟ้าอ่อนดุจน้ำแข็งอาร์กติก

นี่คืองานผลิตรอบล่าสุดของสิ่งที่รู้จักกันในชื่อ อี6 (E6) ซึ่งเป็นแก้วเชิงทัศนศาสตร์ (optic glass) บริสุทธิ์ที่สุด ชุดหนึ่งของโลก โรงงานชิบะโคกากุซึ่งตั้งอยู่ทางตะวันออกของโตเกียว ผลิตแก้วในหม้อดินเผาปั้นมือมากว่า 50 ปีแล้ว เทคนิคนี้ย้อนกลับไปถึงช่วงต้นศตวรรษที่สิบเก้า เมื่อปีแยร์-ลุย กีน็อง ผู้ผลิตเลนส์ชาวสวิส บุกเบิกวิธีใช้เครื่องกวนเซรามิกเพื่อผสมน้ำแก้ว (molten glass) กระบวนการดังกล่าวให้ผลิตภัณฑ์ที่ปราศจากฟองอากาศและสารปนเปื้อน จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานด้านทัศนศาสตร์ เมื่อปี 1965 บริษัทญี่ปุ่นชื่อ โอฮาระกลาส นำกระบวนการดังกล่าว ไปปรับปรุงให้ดีขึ้นด้วยสารผสมเพิ่มของตนเองเพื่อพัฒนาอี6 หรือที่เรียกกันว่า แก้วที่มีการขยายตัวต่ำ (low-expansion glass) ซึ่งปัจจุบันผลิตให้โอฮาระที่โรงงานชิบะโคกากุเท่านั้น

การทุบหม้อดินเผาให้แตกนั้นทำให้แก้วชั้นนอกสุดหลุดออกมาด้วย เหลือแต่สารบริสุทธิ์ที่นำไปหลอมใหม่ได้ และขึ้นเป็นรูปทรงต่างๆ ได้ตามต้องการ ซึ่งจะคงสภาพแม้กระทั่งในอุณหภูมิสุดขั้ว ดังนั้น “การขยายตัวต่ำ” จึงเป็นส่วนหนึ่งในชื่อของมัน ความเสถียรนี้เป็นสิ่งสำคัญ เมื่อเราพยายามสร้างกระจกสำหรับกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่

ตลาดของอุปกรณ์ราคาแพงหูฉี่ประเภทที่เอื้อให้นักดาราศาสตร์มองเข้าไปในซอกมุมอันลึกล้ำของห้วงอวกาศได้นั้นมีอยู่จำกัด ต้องบอกว่าจำกัดมากเสียจนทำให้อี6 ทั้งหมดที่ผลิตในช่วง 42 ปีที่ผ่านมา ล้วนส่งให้ผู้ซื้อรายเดียว โดยอี6 ปริมาณมหาศาลหรือ 122 ตันนี้ ผลิตสำหรับโครงการซึ่งหากประสบความสำเร็จ จะเปลี่ยนความคิดที่เรา มีต่อเอกภพ

อี6 เป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งของการที่แก้วถูกนำไปสร้างใหม่เพื่อสำรวจพรมแดนต่างๆ อันที่จริง ในช่วง 50 ปี ที่ผ่านมา แก้วมีพัฒนาการทางเทคโนโลยีและอุตสาหกรรมมากกว่าช่วงพันปีก่อนหน้าด้วยซ้ำ ทำให้ในปี 2022 องค์การสหประชาชาติไม่เพียงประกาศให้เป็นปีสากลแห่งแก้ว (International Year of Glass) แต่ยังยอมรับแก้วในฐานะวัสดุพื้นฐานที่สามารถรีไซเคิลได้ร้อยเปอร์เซนต์ ซึ่งน่าจะช่วยให้ประเทศต่างๆบรรลุเป้าหมายการพัฒนาอย่างยั่งยืนได้ภายในปี 2030

พูดง่ายๆก็คือ เราเข้าสู่ยุคใหม่ของแก้ว ซึ่งนักวิทยาศาสตร์จะใช้วัสดุเก่าแก่นี้ทำให้ชีวิตเราดีขึ้นอย่างเห็นหน้าเห็นหลัง

การตัดแว่นกลายเป็นเรื่องธรรมดาสามัญในชีวิตสมัยใหม่เสียจนเราลืมไปแล้วว่า การคิดค้นเลนส์สายตา ส่งผลกระทบอย่างไรต่ออารยธรรม แต่นั่นก็เป็นเรื่องจริงที่เกิดขึ้นกับวิถีส่วนใหญ่ที่แก้วเปลี่ยนประสบการณ์ ของมนุษย์ไปอย่างล้ำลึก ลองนึกภาพชีวิตที่ปราศจากขวดแก้วและชามแก้วอบอาหาร กระจกเงาและหน้าต่าง หลอดไฟและโทรทัศน์ดูก็ได้ ใครที่อ่านสารคดีเรื่องนี้บนโทรศัพท์มือถือ แค่เคาะกระจกหน้าจอสัมผัสเบาๆ ถ้อยคำเหล่านี้ ก็ปรากฏขึ้นมาจากข้อมูลที่ส่งผ่านใยแก้วนำแสง

คนงานที่โรงงานผลิตแก้วชิบะโคกากุของญี่ปุ่นทุบหม้อดินเผาให้แตกเพื่อนำก้อนแก้วอี6 ที่มีความบริสุทธิ์สูงหนัก 700 กิโลกรัมออกมา สุดท้าย แก้วที่ผลิตด้วยกระบวนการเก่าแก่อายุนับร้อยปีจะถูกส่งไปให้นักวิทยาศาสตร์ ที่มหาวิทยาลัยแอริโซนาในเมืองทูซอน

เมื่อนำแก้วอี6 ออกจากหม้อดินเผาแล้ว คนงานจะใช้ค้อนหัวทังสเตนบากเป็นร่องที่พื้นผิว แล้วทำให้ร่องดังกล่าวร้อนด้วยเครื่องพ่นไฟจนถ่างออกกว้างเสมอกัน และแยกออกเป็นแผ่น

จากนั้นจึงตัดแก้วเป็นก้อนเหลี่ยมขนาดเล็ก และใช้เลนส์โพลาไรซ์ตรวจหาตำหนิทีละชิ้น ก้อนแก้วที่ผ่านการตรวจสอบจะถูกส่งไปยังห้องปฏิบัติการที่มหาวิทยาลัยแอริโซนา ซึ่งพวกมันจะถูกหลอมและหล่อเป็นกระจกสำหรับกล้องโทรทรรศน์แมเจลลันยักษ์

มนุษย์นำวัสดุนี้มาใช้ในชีวิตอย่างกว้างขวางลึกซึ้งกว่าที่เคยเป็นมา นับตั้งแต่ค้นพบวิธีผลิตแก้วเมื่อราว 4,500 ปีก่อน แม้เรายังไม่รู้แน่ชัดว่า แก้วชิ้นแรกสุดเกิดขึ้นที่ใด ลูกปัดแก้วเก่าแก่ที่สุดบางส่วนและเครื่องประดับจุกจิกอื่นๆ ปรากฏขึ้นในเมโสโปเตเมีย นักประวัติศาสตร์เสนอทฤษฎีว่า แก้วชิ้นแรกอาจเป็นผลพลอยได้โดยบังเอิญจากการผลิต เซรามิกหรือโลหะ ไม่ว่าจะเป็นกรณีใด มนุษย์เรียนรู้อย่างรวดเร็วว่าจะนำกระบวนการดังกล่าวไปใช้ประโยชน์อย่างไร ดังหลักฐานที่พบบนจารึกแผ่นดินเหนียวจากยุคบาบิโลนในประเทศอิรักปัจจุบัน ซึ่งบันทึกสูตรการผลิตแก้วยุคแรกสุด ที่เรารู้จักด้วยอักษรคูนิฟอร์ม และถึงขั้นบอกวิธีย้อมแก้วให้เป็นสีแดงด้วย

ไม่ว่าจะเป็นยุคโบราณหรือสมัยใหม่ แก้วเกือบทั้งหมดล้วนมีสูตรพื้นฐานเหมือนกัน นั่นคือเป็นส่วนผสมของ ซิลิกา (ส่วนประกอบหลัก) โซดาแอชหรือโซเดียมคาร์บอเนต (เพื่อลดจุดหลอมเหลว) และหินปูน (เพื่อให้คงตัว) แต่ส่วนที่ทำให้แก้วมีความพิเศษนั้นดูคล้ายจะเป็นอุบัติเหตุของธรรมชาติ หรือผลลัพธ์ของกระบวนการที่ถูกขัดจังหวะ เมื่อส่วนผสมหลักๆได้รับความร้อนถึงประมาณ 1000 องศาเซลเซียสและถูกทิ้งให้เย็น โดยธรรมชาติ อะตอมในส่วนผสมดังกล่าวต้องการก่อรูปเป็นโครงสร้าง ในลักษณะเดียวกับวัสดุที่มีโครงสร้างผลึกแน่นอน (crystalline matrix) ในแผ่นน้ำแข็ง หรือเพชร แต่อะตอมเหล่านั้นกลับถูกกักให้มีโครงสร้างแบบสุ่ม ส่งผลให้เกิดสิ่งที่อยู่ในสถานะระหว่างของแข็งและของเหลว ซึ่งสามารถนำมาเปลี่ยนรูปร่างใหม่ ก่อนที่มันจะเย็นและแข็งตัวได้

โครงสร้างโมเลกุลไร้ระเบียบนี้คือสิ่งที่ทำให้แก้วมีพลังวิเศษ เนื่องจากอะตอมของมันไม่จำเป็นต้องอยู่ในแบบแผนเฉพาะเจาะจง ในอุณหภูมิที่สูงขึ้น โครงสร้างของมันจึงสามารถหลอมรวมกับสารประกอบเคมีได้หลายชนิด การเติมสารต่างๆ เหล่านั้นอาจให้สี ความยืดหยุ่น ความต้านทานความร้อนที่ดียิ่งขึ้น และเพิ่มความแข็งแกร่ง นอกเหนือจากคุณลักษณะที่ต้องการอื่นๆ

สำหรับนักวิทยาศาสตร์ นั่นสร้างโอกาสสำหรับการทดลองไม่รู้จบ เมื่อไม่นานมานี้ ผมไปเยือน “ครัวทดลอง” ที่ห้องปฏิบัติการแปรรูปทางวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ที่คอร์นิง บรรษัทข้ามชาติผลิตแก้วและเซรามิกที่อยู่ทางตอนเหนือของรัฐนิวยอร์ก ที่นั่น ช่างเทคนิคผู้ห่อหุ้มร่างกายด้วยชุดสะท้อนความร้อนบุฉนวนหนาเตอะกับหน้ากากนิรภัย ใช้แท่งเหล็กและคีมคีบถ้วยใส่น้ำแก้วซึ่งร้อนจนเป็นสีขาว ออกจากเตาหลอม แล้วบรรจงรินส่วนผสมสูตรใหม่ หนึ่งในหลายพันสูตรที่พวกเขาทดลองเป็นประจำ

ขณะที่ผลิตภัณฑ์มากมายที่คอร์นิงกำลังพัฒนายังคงเป็นความลับ นักวิจัยจำนวนมากกลับแบ่งปันเป้าหมายต่อไปของตนอย่างเปิดเผย เช่น แก้วที่ออกฤทธิ์ทางชีวภาพ (bioactive glass) เป็นต้น ย้อนหลังไปเมื่อปี 1969 อาจารย์ผู้หนึ่งที่มหาวิทยาลัยฟลอริดาค้นพบว่า ถ้าเอาซิลิกาบางส่วนออกไป แล้วเติมแคลเซียมเข้าไปแทน เราจะสามารถสร้างเม็ดแก้วละเอียดหรือผงแก้วสำหรับเชื่อมกับกระดูกที่แตกหัก ช่วยเร่งการสมานให้เร็วขึ้น การค้นพบนี้ ทำให้แก้วชีวภาพ (bioglass) ถูกนำไปปรับสูตรใหม่ให้เป็นการรักษาแผลติดเชื้อที่กระดูกและแผลเนื้อเยื่ออ่อนอย่าง มีศักยภาพ จูเลียน โจนส์ นักวัสดุศาสตร์จากอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอน ซึ่งศึกษาแก้วชีวภาพมากว่า 25 ปี บอก ถ้าได้ผล แนวคิดนี้จะช่วยแก้ไขปัญหายุ่งยากที่สุดประการหนึ่งในวงการแพทย์ได้ ในยามที่เชื้อโรคจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ วิวัฒน์จนดื้อยาปฏิชีวนะ โจนส์บุกเบิกสิ่งที่เรียกว่า “แก้วชีวภาพกระดอนได้” (bouncy bioglass) หรือพอลิเมอร์แก้วลักษณะเหมือนยาง ผลิตด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติที่อยู่ในขั้นทดลอง โดยได้รับการออกแบบมาเพื่อทำให้กระดูกอ่อนเจริญได้อีกครั้ง

การใช้งานอย่างหนึ่งของเทคโนโลยีแก้วที่เป็นข้อถกเถียงมากกว่า มาจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติแปซิฟิก นอร์ทเวสต์ในรัฐวอชิงตัน เป้าหมายของทีมนักวิทยาศาสตร์ที่นั่นคือหาวิธีเก็บกากนิวเคลียร์ 212 ล้านลิตรที่ยังอยู่ในแฮนฟอร์ดไซต์ โรงงานแปรรูปพลูโตเนียมให้โครงการแมนแฮตตันและระหว่างสงครามเย็น เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมงานลองผลิตแก้วนานาชนิดเพื่อกักเก็บสารก่อมลพิษกัมมันตรังสีชนิดต่างๆ กากที่เปลี่ยนให้เป็นแก้วนี้จะอยู่ได้นานกว่าครึ่งชีวิตของสารกัมมันตรังสีของวัสดุที่เป็นพิษส่วนใหญ่ ถึงจะยังมีข้อถกเถียงอีกมากว่าด้วยสถานที่เก็บที่ปลอดภัย

นักวิจัยในรัฐนิวยอร์กเทน้ำแก้วหรือแก้วหลอมเหลวใน “ครัวทดลอง” ของคอร์นิง บริษัทนวัตกรรมด้านวัสดุศาสตร์ ที่ทดลองสูตรใหม่ๆ ในการเสริมคุณลักษณะต่างๆ ของแก้ว เช่น ความแข็งแกร่ง สี และความคมชัดเชิงทัศนศาสตร์

ช่างเทคนิคสาธิตความยืดหยุ่นของแผ่นแก้วดัดโค้งได้ที่บางเท่าแผ่นกระดาษของคอร์นิง อันเป็นนวัตกรรมที่ทำให้ จอโทรศัพท์พับได้และหน้าต่างมีน้ำหนักเบาเป็นพิเศษ

การถ่ายภาพความเร็วสูงจับภาพการกระดอนของแก้วขนาดเท่าปลอกนิ้วซึ่งเชื่อมต่อกับพอลิเมอร์ “แก้วชีวภาพกระดอนได้” ที่อิมพีเรียลคอลเลจลอนดอนพัฒนาขึ้นนี้ กำลังได้รับการทดสอบเพื่อช่วยในกระบวนการสร้างเซลล์กระดูกอ่อนขึ้นใหม่

ในบรรดาความก้าวหน้าของแก้วรุ่นต่อไป ความพยายามที่พุ่งเป้าไปยังอี6 นั้นดึงดูดใจผม และทำให้ ผมตัดสินใจไปเยือนโรงงานชิบะโคกากุ หลังจากหม้อดินเผาถูกทุบเพื่อเอาก้อนแก้วอี6 ออกมาแล้ว เหล่าช่างเทคนิคจะใช้เครื่องพ่นไฟตัดมันเป็นก้อนเหลี่ยมขนาดเท่ากล่องรองเท้า ซึ่งหลังจากนั้นจะได้รับการบรรจุหีบห่อและส่งไปยังห้องปฏิบัติการทดลองที่ซุกตัวอยู่ใต้สนามฟุตบอลในเมืองทูซอน รัฐแอริโซนา

ที่นั่น ลูกค้ารายเดียวของโลกที่ซื้ออี6 นักดาราศาสตร์ชื่อ รอเจอร์ แองเจล จะใช้มันสร้างกระจกสำหรับกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก เมื่อติดตั้งเสร็จสมบูรณ์บนยอดเขาในทะเลทรายอาตากามาของชิลีแล้ว กล้องโทรทรรศน์แมเจลลันยักษ์ หรือจีเอ็มที (Giant Magellan Telescope: GMT) จะทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเกตรายละเอียดของจักรวาลที่ไม่เคยเห็นมาก่อน

ความลับที่ทำให้แมเจลลันยักษ์มีกำลังขยายสูงกว่ากล้องโทรทรรศน์ใดๆ ที่เคยมีมาก่อนหน้านี้อยู่ที่กระจกยักษ์ ซึ่งแต่ละบานมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8.4 เมตร หรือราวๆความกว้างของสนามเทนนิส กระจกคือกุญแจสำคัญของความแข็งแกร่งทางทัศนศาสตร์ของกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสง ซึ่งอาศัยกระจกเหล่านี้รวมแสง ดังนั้นยิ่งกระจกมีขนาดใหญ่เท่าใด ก็จะยิ่งรวมแสงจากวัตถุห่างไกล เช่น ดาว หรือดาวเคราะห์ ได้มากเท่านั้น

ที่ผ่านมา ความท้าทายต่างๆ ในการหลอมกระจกขนาดใหญ่ทำให้นักดาราศาสตร์เผชิญความยุ่งยากมาช้านาน ยิ่งกระจกใหญ่มากเท่าไร มันก็ยิ่งหนักและเทอะทะมากขึ้นเท่านั้น แองเจลแก้ปัญหานี้ด้วยการใช้แม่พิมพ์รวงผึ้ง ซึ่งลดน้ำหนักของกระจกลงได้อย่างมาก ขณะที่เพิ่มความแข็งแรงและสภาพแข็งเกร็ง (rigidity) ของมัน ย้อนหลังไป ในทศวรรษ 1980 แองเจลตระหนักว่า ความก้าวหน้าของงานดาราศาสตร์จำเป็นต้องใช้กระจกสำหรับกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ขึ้นที่สามารถจับรายละเอียดได้มากขึ้น ถ้าไม่มีใครผลิตกระจกที่เขาต้องการได้ ทำไมไม่ผลิตเองเลยล่ะ

เมื่อนักดาราศาสตร์เริ่มใช้กล้องโทรทรรศน์แมเจลลันยักษ์ สำรวจท้องฟ้าในที่สุด ซึ่งคาดว่าน่าจะเป็นช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งในราวปี 2029 กระจกเหล่านี้จะสามารถวัดดาวเคราะห์ไกลโพ้นในระดับที่ไม่เคยปรากฏมาก่อน เอื้อให้ นักดาราศาสตร์คำนวณอุณหภูมิและดูว่า พวกมันมีแก๊สอย่างมีเทนและออกซิเจน ซึ่งเป็นสัญญาณของชีวิตหรือไม่

“นี่จะเป็นการค้นพบแห่งศตวรรษเลยครับ” แองเจลบอก

เรื่อง เจย์ เบนเน็ตต์

ภาพถ่าย คริสโตเฟอร์ เพย์น

แปล ศรรวริศา เมฆไพบูลย์