รูปที่ 1 Dan Shechtman แห่ง Technion
(ที่มา : de wikipedia.org)

           เมื่อวันที่ 8 เมษายน ค.ศ.1982 Dan Shechtman แห่ง Technion (หรือ Israel Institute of Technology) ที่เมือง Haifa ใน Israel ซึ่งอยู่ระหว่างลาไปเพิ่มพูนประสบการณ์วิจัยที่ National Institute of Standards and Technology (NIST) ที่เมือง Gaithersburg ใu Maryland สหรัฐอเมริกา ได้ทดลองบังคับให้โลหะผสมระหว่างอะลูมิเนียมกับแมงกานีสเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว จนทำให้โลหะผสมไม่ทันตกผลึกเพื่อดูว่าของแข็งที่สังเคราะห์ได้มีโครงสร้างเช่นไร โดยใช้เทคนิคเลี้ยวเบน (diffraction) ด้วยอิเล็กตรอน

           เขาจึงทดลองยิงโลหะผสมนั้นด้วยลำอิเล็กตรอน เพราะถ้าของแข็งเป็นผลึกซึ่งมีอะตอมต่าง ๆ เรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบผลที่ตามมาคือ ระนาบของอะตอมในของแข็งจะทำหน้าที่เสมือนเป็นเกรตติง (grating) ซึ่งจะเลี้ยวเบนลำอิเล็กตรอนออกไปในทิศต่าง ๆ อย่างเป็นระเบียบ

            Shechtman กลับเห็นรูปแบบการเลี้ยวเบนที่ไม่เหมือนสิ่งที่เคยเห็นมาก่อนเลยในชีวิต คือ เห็นวงกลมซ้อนกันหลายวง และที่เส้นรอบวงเหล่านั้นมีจุดสว่าง 10 จุด ซึ่งแสดงว่าโครงสร้างของสิ่งที่ Shechtman สังเคราะห์ได้มีสมมาตรทบ 10(tenfold symmetry) เพราะถ้าเขาหมุนภาพแสดงรูปแบบการเลี้ยวเบนไป 360/10 = 36 องศา รูปแบบที่ได้ก็จะเหมือนเดิมคือไม่เปลี่ยนแปลงเลย เขาได้บันทึกในสมุดทดลองเพียง 2 คำว่า "10 fold ???" อันเป็นสิ่งที่ขัดแย้งกับความรู้ที่นักวิทยาศาสตร์มีในขณะนั้นอย่างสิ้นเชิง Shechtman กับคณะจึงได้ทดลองเรื่องนี้ซ้ำอีกนาน 1 สัปดาห์ และทุกครั้งก็ได้ผลเหมือนเดิม

            เขาจึงตัดสินใจบอกเพื่อน ๆ แต่ทุกคนก็แนะนำไม่ให้ Shechtman ตีพิมพ์ผลงาน เพราะนั่นจะทำให้นักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ลงความเห็นว่าเขาเสียสติและเป็นการฆ่าตัวตายทางวิชาการที่ Shechtman หลงเชื่อในสิ่งที่ตำราระบุว่าเป็นไปไม่ได้ หลายคนจะเย้ยหยันสิ่งที่เขา "พบ" และคิดว่าผล "เพี้ยน" นี้เกิดจากความสะเพร่าของผู้ทดลองเอง ฯลฯ แม้แต่หัวหน้าห้องปฏิบัติการที่ NISTก็ยังขอร้องให้เขาย้ายที่ทำงาน เพราะเขากำลังนำชื่อเสียมาสู่องค์กร

            Shechtman ไม่เชื่อในคำแนะนำ เขาส่งผลงานนี้ไปลงพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters อันเป็นวารสารฟิสิกส์ชั้นนำของโลกโดยได้ส่งชื่อของศิษย์ และเพื่อนร่วมงานชื่อ Ilan Blech แห่ง Technion, John Cahn แห่ง NIST และ Denis Gratias แห่ง Centre for Metallurgic Chemistry ที่ Vitry ในฝรั่งเศส ในฐานะผู้ร่วมงาน เมื่อผลงานได้รับการเผยแพร่ในวารสารฉบับที่ 53 ประจำเดือนธันวาคม 1984 ที่หน้า 1951-1953 วงการวัสดุศาสตร์ของโลกซึ่งมีทั้งนักเคมีและนักฟิสิกส์ก็ระเบิดเพราะทุกคนตื่นเต้นมากเสมือนกับการพบสัญญาณที่เร็วกว่าแสงและอุณหภูมิที่ต่ำกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์

รูปที่ 2 นักผลึกวิทยาชื่อ Alan Mackey 
(ที่มา : http://www.unquote.com/IMG/034/257034/alan-mockay-web.jpg )

            ก่อนที่ Shechtman จะพบของแข็งที่มีสมมาตร "ประหลาด" นี้ ตำราฟิสิกส์ และตำราเคมีทุกเล่มในโลกต่างก็ระบุชัดว่า ของแข็งในธรรมชาติมีโครงสร้าง 2 รูปแบบ คือ แบบอสัณฐาน และแบบผลึก ในกรณีอสัณฐานนั้น อะตอมต่าง ๆ จะอยู่กันอย่างไม่เป็นระเบียบแต่ในผลึก อะตอมหรือกลุ่มอะตอมจะอยู่กันอย่างเป็นระเบียบคือ มีสมมาตร (symmetry) เช่น ถ้านำแผ่นกระเบื้องที่เป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่า (มุมภายในเท่ากับ 60) มาวางเรียงเราก็จะพบว่ากระเบื้องจะปกคลุมพื้นได้มิดชิดพอดี โดยไม่มีที่ว่างเลย เราเรียกว่า พื้นมีสมมาตรทบ 3 (threefold symmetry) ไม่เพียงแต่กระเบื้องรูปสามเหลี่ยมด้านเท่าเท่านั้นที่ปูพื้นได้มิดสนิท กระเบื้องสี่เหลี่ยมด้านเท่า และ หกเหลี่ยมด้านเท่าก็สามารถปูพื้นได้มิดสนิทเช่นกัน พื้นจึงมีสมมาตรทบ 4 และทบ 6 แต่เราจะพบว่า กระเบื้อง 5 เหลี่ยมด้านเท่าไม่สามารถปูพื้นให้มิดสนิทได้ ดังนั้นตำราวิชาการก่อนปี 1984 จึงระบุว่าสมมาตรทบ 5 ไม่มี

            เมื่อสิ่งที่ Shechtman พบมีสมมาตรทบ 10 (คือ สมมาตรทบ 5 สองเท่า) ดังนั้นปัญหาที่ต้องคิดต่อไป คือ ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้อย่างไร และอะตอมต่าง ๆ ในของแข็งที่ Shechtman สังเคราะห์จัดเรียงตัวอย่างไร

            ในการตอบคำถามนี้ นักคณิตศาสตร์ชื่อ Roger Penrose แห่งมหาวิทยาลัย Oxford ในอังกฤษซึ่งสนใจการปูพื้นด้วยกระเบื้องรูปห้าเหลี่ยมด้านเท่าปะปนกับรูปสิบเหลี่ยมด้านเท่า ( Penrose ไม่ได้สนใจเรื่องผลึก โดย Penrose ได้ความคิดนี้จากการศึกษาศิลปะของชาวอาหรับที่นิยมตกแต่งตามผนังของมหาวิหาร Alhambra ที่เมือง Granada ในสเปน และนักคณิตศาสตร์ในปัจจุบันรู้จักการจัดกระเบื้องในลักษณะนี้ว่า การปูพื้นแบบเพนโรส (Penrose tiling)

            ด้านนักผลึกวิทยาชื่อ Alan Mackey มีจินตนาการว่า ถ้าอะตอมปรากฎอยู่ที่ทุกมุมของกระเบื้อง Penrose ภาพการเลี้ยวเบนที่เกิดจากการจัดเรียงอะตอมแบบนี้จะแสดงวงกลมที่มีสมมาตรทบ 10 สำหรับ Paul Steinhardt แห่งมหาวิทยาลัย Pennsyvania กับศิษย์ชื่อ Dov Levine ก็ได้ใช้การจัดเรียงอะตอมบนกระเบื้อง Penrose คำนวณพบว่า รูปแบบของการเลี้ยวเบนที่เกิดขึ้นจะสอดคล้องกับผลการทดลองของ Shechtman ที่มีสมมาตรทบ 5 และสมมาตรทบ 10 ทุกประการ Steinharat จึงเรียกสิ่งที่ Shechtman พบว่าผลึกควอไซ (quasicrystal) เพราะเป็นวัสดุที่มีสมบัติความเป็นระเบียบกลาง ๆ ระหว่างผลึกกับอสัณฐาน

            กระนั้นการยอมรับเรื่อง quasicystal ก็ยังไม่สมบูรณ์ แม้แต่ Linus Pauling ซึ่งเป็นนักเคมีรางวัลโนเบลเองก็ปฏิเสธว่า ผลึกควอไซมีในธรรมชาติ แต่เขาคิดว่า นักวิทยาศาสตร์ควอไซ (quasi-scientist) ในโลกมีแน่ คำโต้แย้งจาก Pauling ผู้ได้รับรางวัลโนเบล 2 ครั้งทำให้ Shechtman รู้สึกท้อแท้ แต่เขารู้ว่าเขาคือผู้ชนะ แม้จะต้องเดินทางไปอธิบายให้ Pauing ฟังนานเป็นชั่วโมงที่บ้านพักของ Pauling ในเมือง Palo Alto ก็ตาม เขาก็ไม่สามารถเปลี่ยนใจ Pauling ได้ จนกระทั่ง Pauling ตายในค.ศ. 1994 เขาก็ยังคิดว่า quasicrystal ไม่มีในธรรมชาติ

            ในค.ศ. 1992 ที่ประชุม International Union of Crystallography ได้ตกลงให้คำจำกัดความของผลึกใหม่จากคำจำกัดความเดิมที่ว่ารูปแบบการจัดเรียงอะตอมของผลึกต้องเป็นคาบ (period) สม่ำเสมอเป็นคำจำกัดความใหม่ของผลึกว่า ผลึกคือของแข็งที่ตำแหน่งของอะตอมในตัวมันแสดงรูปแบบการเลี้ยวเบนที่แยกชัด (discrete)

รูปที่ 3 แบบจำลองแร่ผลึกควอไซ
(ที่มา : www.electron.rmutphysics.com)

            ยี่สิบเก้าปีหลังจากที่ Shechtman พบ quasicystal ในเดือน ตุลาคม ค.ศ. 2011 เขาก็ได้รับข่าวว่าเขาคือ ผู้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีแต่เพียงผู้เดียว (เป็นที่น่าสังเกตว่า จากประวัติศาสตร์ของรางวัลโนเบลสาขาวิทยาศาสตร์ตั้งแต่ปีค.ศ. 1900 ถึงปีค.ศ. 2011 คนที่ได้รับรางวัลสาขาเคมีคนเดียวมี 61% คนที่ได้รับรางวัลสาขาฟิสิกส์คนเดียวมี 43%และคนที่ได้รับรางวัลสาขาแพทย์คนเดียวมี 37% นี่แสดงว่าสำหรับนักชีววิทยาและแพทย์ การจะพบองค์ความรู้ที่สำคัญมากคนเดียวเป็นเรื่องยาก แต่นักเคมีจะค้นพบอะไร ๆ ที่สำคัญเพียงคนเดียวนั้นง่ายกว่า)

            ปัจจุบันทฤษฎีของ quasicrystal กำลังก้าวหน้า เพราะนักวัสดุศาสตร์ได้พบว่า เทคนิคคำนวณที่เคยใช้ได้ผลในกรณีผลึกและอสัญฐานไม่สามารถนำมาใช้ได้กับกรณีผลึกควอไซอีกต่อไป

            ผลึกควอไซที่พบในธรรมชาติมีบ้างเป็นโลหะผสมระหว่างอะลูมิเนียม-ทองแดง-เหล็ก เป็นแร่อายุ 200 ล้านปีที่ภูเขา Konyak ในรัสเซียตะวันออก

            ประโยชน์ของผลึกควอไซ คือ มีความแข็งมาก แต่นำความร้อน และไฟฟ้าได้ไม่ดีนัก (เพราะอะตอมเรียงรายอยู่กันอย่างไม่เป็นระเบียบ) จึงสามารถใช้ทำฉนวนความร้อนในเครื่องยนต์ เป็นสารเคลือบกระทะไม่ให้อาหารติด โรงงานเหล็กในสวีเดนนำผลึกควอไซทำใบมีดโกน และทำเกราะ เป็นต้น

            ย้อนอดีตไปถึงสมัยก่อนการค้นพบของ Shechtman ในปี ค.ศ. 1979 Marc Van Sande นักวิจัยแห่ง Electron Microscopy for Materials Science (EMAT) ที่เมือง Antwerb ในเบลเยี่ยมได้เคยเห็นภาพการเลี้ยวเบนที่แสดงสมมาตรทบ 10 เช่นกัน

            ในโลหะผสมอะลูมิเนียม-แมงกานีส-แพลเลเดียม แต่เขาไม่ได้ศึกษาต่อเพราะเขาคิดว่าสิ่งที่เขาเห็น ขัดแย้งกับตำราเขาจึงทิ้งงานนั้นไป และทิ้งรางวัลโนเบลไปด้วย

            เหตุการณ์นี้ก็ตรงกับคำสอนที่ Louis Pasteur ได้เคยกล่าวว่า "ในวงวิทยาศาสตร์นั้น คนที่จะพบองค์ความรู้ใหม่ จิตใจเขาต้องพร้อมที่จะรับ" การค้นพบ quasicrystal ทำให้นักวิทยาศาสตร์ทุกคนตระหนักดีว่า คนเรายิ่งรู้ก็จะพบว่ายังมีอีกมากมายที่ยังไม่รู้

รูปที่ 4 Daniel Shechtman : รางวัลโนเบลสาขาเคมี .ศ. 2011 กับการพบ quasicystal
(ที่มา : www.manager.co.th)

            Dan Shechtman เกิดเมื่อวันที่ 24 มกราคม ค.ศ. 1941 ที่เมือง Tel Aviv ในอิสราเอล เข้าศึกษาวิชาวิศวกรรมเครื่องกลที่ Technion และสำเร็จการศึกษาปริญญาเอกด้านวิศวกรรมวัสดุจาก Technion เช่นกันในค.ศ. 1972 เขาสนใจการวิจัยเรื่องโครงสร้างของวัสดุผสมอีก 3 ปี ต่อมาได้เป็นอาจารย์ประจำที่ Technion และได้ลาไปเพิ่มประสบการณ์วิจัยที่มหาวิทยาลัย John Hopkins ในสหรัฐอเมริกากับที่ NIST ซึ่งทำให้เขาได้พบ quasicystal

            นอกจากรางวัลโนเบลสาขาเคมี ค.ศ. 2011 แล้ว ก่อนหน้านั้น Shechtman ยังได้รับรางวัล Wof Pize in Physics ประจำปี ค.ศ. 1999 ด้วยครอบครัว Shechtman มีภรรยา และลูก 3 คน

            บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://emagazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

Ostlund, S. & Steinhardt, P. J. (1987). The Physics of Quasicrystals. Singapore: World Scientific Singapore.