โลหะลอยน้ำได้! แรงบันดาลใจจากแมงมุมและมดคันไฟ ต่อยอดสู่ไอเดียแห่งอนาคต เมืองลอยน้ำและเรือที่ไม่มีวันจม

เมื่อพูดถึงเมืองลอยน้ำหลายคนอาจจะมองว่าเป็นเรื่องเพ้อฝันในโลกอุดมคติ และถูกมองว่าเป็นการแก้ปัญหาที่ปลายเหตุเพื่อรับมือกับอันตรายจากการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศ และระดับน้ำทะเลที่สูงขึ้น

แต่จริงๆ แล้วนอกเหนือจากปัจจัยเรื่องสภาพอากาศแล้วยังมีอีกหนึ่งสาเหตุสำคัญที่ทำให้หลายฝ่ายมุ่งมั่นพัฒนาเมืองลอยน้ำคือ จำนวนประชากรโลกที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นการขยายพื้นที่ในการอยู่อาศัยจากพื้นดินไปยังมหาสมุทรก็ดูจะเป็นไอเดียที่น่าสนใจ เพราะพื้นส่วนใหญ่ของโลกใบนี้นั้นมีส่วนที่เป็นส่วนน้ำอยู่ถึง 70% เลยทีเดียว

สำหรับรูปแบบของเมืองลอยน้ำนั้นหลายๆ หน่วยงานทั้งบริษัทออกแบบและรัฐบาลของหลายๆ ประเทศล้วนมีการนำเสนอแนวคิดที่ล้ำสมัย รวมไปถึงคิดค้นวัสดุขึ้นมาใหม่สำหรับใช้ในในโครงการเหล่านั้นโดยเฉพาะ

วันนี้ Wazzadu.com จะขอพูดถึงโลหะลอยน้ำซึ่งเป็นวัสดุที่ถูกคิดค้นขึ้นมาหมาดๆ และมีโอกาสที่จะพัฒนาต่อยอดในการสร้างเมืองลอยน้ำให้เป็นจริงได้ในเร็วๆ นี้

แรงบันดาลใจจากธรรมชาติสู่นวัตกรรมโลหะลอยน้ำ

เดือนพฤศจิกายนที่ผ่านมา นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ (University of Rochester) สามารถคิดค้นโลหะที่ลอยน้ำได้ ไม่ว่าเราจะโยนมันลงไปในน้ำหรือกดมันไว้ใต้ผิวน้ำแต่เมื่อปล่อยมือมันจะลอยขึ้นมาอยู่ที่ผิวน้ำเสมอ! 

Chunlei Guo ศาสตร์ตราจารย์ด้านฟิสิกส์และออพติกส์ กล่าวว่างานวิจัยชิ้นนี้ได้รับแรงบันดาลใจมาจากแมงมุมชนิดหนึ่ง (Argyroneta aquatica) และมดคันไฟ ซึ่งสามารถเก็บกักอากาศไว้ตามขนขาและท้อง รวมทั้งใช้ใยเก็บอากาศไว้ได้ไม่ต่างจากนักประดาน้ำ ทำให้ตัวมันเองสามารถลอยน้ำได้

เรือก็ลอยได้ แล้ว "โลหะลอยน้ำ" ต่างจากเรืออย่างไร?

ใครๆ ก็รู้ว่าเหล็กมีน้ำหนักมากกว่าน้ำหากเราโยนมันลงไปในน้ำมันก็จะจมลงไปแน่นอน การที่เรือลอยน้ำได้นั้นไม่ใช่เรื่องของวัสดุแต่เป็นเรื่องของปริมาตร หากวัตถุชนิดเดียวกันมีมวลเท่ากันแต่ปริมาตรต่างกันความหนาแน่นก็จะต่างกัน หากเรานำเหล็กก้อนนั้นมาทำให้เป็นแผ่นบางและมีขอบโค้งเหมือนเรือ เหล็กก็จะมีปริมาตรมากขึ้นในขณะที่มีมวลเท่าเดิม ดังนั้นเหล็กจึงมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำทำให้เหล็กก้อนนั้นลอยน้ำด้ 

แต่หากเรือรั่วแล้วมีน้ำเข้าไปแทนก็ทำให้น้ำเข้าไปทดแทนมวลอากาศที่อยู่ภายในเรือ หรือเรือลำนั้นมีการบรรทุกน้ำหนักที่มากเกินไป ก็จะทำให้เรือจมได้ ต่างกับโลหะลอยน้ำที่ไม่ว่าจะมีรูมากขนาดไหน ตัวโลหะนั้นก็จะไม่จม 

โลหะลอยน้ำได้มีการทำงานแตกต่างจากเรืออย่างไร?

ศาสตร์ตราจารย์ Chunlei Guo และทีมได้ใช้เลเซอร์ความละเอียดสูงมา "แกะ" (etch) ผิวของโลหะจนเกิดโครงสร้างเล็กๆ ในระดับนาโนที่สามารถเก็บกักอากาศไว้ภายในได้ ส่งผลให้ผิวของอะลูมิเนียมมีคุณสมบัติที่เรียกว่า Superhydrophobic (SH) หรือคุณสมบัติการกันน้ำนั่นเอง ซึ่งสามารถป้องกันการเปียกน้ำได้เหมือนใบบัว

ในการทดลองขั้นแรกคือ ใช้แผ่นอะลูมิเนียม (Aluminum ชื่อย่อทางวิทยาศาสตร์คือ Al) ลักษณะบางกลมขนาดประมาณเหรีญ 10 บาท นำมาผ่านกระบวนการ "แกะ" ผิวดังกล่าวเพียงด้านเดียว แล้วลองโยนลงไปในน้ำผลปรากฎว่าแผ่นอะลูมิเนียมนั้นสามารถลอยตัวอยู่บนผิวน้ำได้ ไม่ว่าด้านที่ถูกแกะผิวจะหงายขึ้นหรือคว่ำลงในน้ำก็ตาม ในขณะที่แผ่นอะลูมิเนียมแบบเดียวกันที่ไม่ได้ทำการ "แกะ" ผิวนั้นจะจมลงไปใต้น้ำดิ่งลงไปยังก้นแก้วทดลอง 

แต่ทว่าโลหะนั้นถ้ามีแรงมากระทำหรือพูดง่ายๆ ว่ามีแรงมากดให้มันจมลงไปใต้น้ำ เจ้าแผ่นโลหะนี้ก็จะจมลงไปทันทีและไม่ลอยกลับขึ้นมาอีก   

พัฒนาวัสดุด้วยการออกแบบโครงสร้าง 

ทีมนักวิจัยจึงพัฒนาต่อด้วยการจำลอง "โครงสร้าง" ขึ้นมา โดยนำแผ่นอะลูมิเนียมที่ผ่านกระบวนการ "แกะ" ผิวเพียงด้านเดียว จำนวน 2 แผ่นมาประกบกันโดยหันด้านที่ถูก "แกะ" ผิวเข้าขาหากัน เว้นระยะห่างระหว่างแผ่นประมาณ 3-4 มม. (ระยะห่างระหว่างแผ่นขึ้นอยู่กับขนาด และชนิดของโลหะที่นำมาทดลอง) แล้วเชื่อมกันไว้ด้วยแท่งพลาสติกเล็กๆ เป็นเสาติดตรงกลางแผ่นอะลูมิเนียมทั้ง 2 แผ่น 

จากนั้นจึงนำโครงสร้างที่ว่าไปวางไว้ใต้น้ำและใช้ของที่หนักกว่ากดทับไว้ เมื่อระยะเวลาผ่านไป 2 เดือนจึงยกวัตถุที่กดทับบน "โครงสร้าง" นี้ออก ปรากฎว่าพื้นผิวที่ทำการ "แกะ" ไว้นั้นยังสามารถเก็บกักอากาศได้เป็นอย่างดี เพราะ "โครงสร้าง" แผ่นโลหะลอยขึ้นมายังผิวน้ำในทันที 

สิ่งที่น่าสนใจกว่านั้นคือ แม้ว่าแผ่นโลหะที่นำมาทำ "โครงสร้าง" นี้จะถูกเจาะผิวให้เป็นรู "โครงสร้าง" แผ่นโลหะก็ยังสามารถลอยขึ้นสู่ผิวน้ำได้อย่างรวดเร็วเช่นกัน เพราะการกักเก็บอากาศนั้นเป็นระดับโมเลกุล ต่างจากห่วงยางทั่วไปที่ใช้แค่หลักการเก็บอากาศไว้ภายในวัสดุเท่านั้น หากเกิดรูรั่วห่วงยางก็จะจมน้ำทันที  

นอกจากนี้ หลักการในการ "แกะ" ผิวนี้ยังสามารถประยุกต์ใช้กับโลหะชนิดอื่น และวัสดุอื่นๆได้อีกด้วย ลองคิดถึงภาพเรือที่ไม่จมแม้โครงเรือจะแตกหักก็ตาม เมืองลอยน้ำ รวมไปถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ที่นอกจากจะลอยน้ำได้แล้วยังกันน้ำได้ดียิ่งขึ้นในอนาคตด้วย 

น่าสนใจมากๆ เลยใช่มั้ยครับกับเทคโนโลยี "โลหะลอยน้ำ" สามารถติดตามเรื่องราวน่าสนใจเกี่ยวกับวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีล้ำๆ ได้ที่นี่ Wazzadu.com  

อ้างอิงและรูปภาพ​จาก

• pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b15540
• phys.org/news/2019-11-spiders-ants-metal-wont.html
• www.nature.com/articles/news.2011.357
• www.blockdit.com (อาจวรงค์ จันมาศ)
• www.architecturaldigest.com