ความก้าวหน้าในการวิจัยไททาเนียม: เปิดเผยความลึกลับของความแข็งแกร่งและความเหนียวของโลหะ

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งชาติโยโกฮาม่าได้เผยแพร่การศึกษาที่สำคัญในวารสาร Communications Physics ซึ่งเผยให้เห็นเป็นครั้งแรกว่า ลักษณะทางอะตอมย่อยของโลหะไทเทเนียมมีผลต่อสมบัติทางฟิสิกส์ที่เป็นเอกลักษณ์ของมัน การศึกษานี้ไม่เพียงแต่ให้แนวทางใหม่ในการพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียม แต่ยังให้แรงบันดาลใจที่สำคัญในวงการวิทยาศาสตร์วัสดุ

คุณสมบัติและความท้าทายของไทเทเนียม

ไททาเนียมเป็นวัสดุสำคัญในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การผลิตที่แม่นยำ และการแพทย์ เนื่องจากมีความทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดี น้ำหนักเบา และมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเข้ากันได้ทางชีวภาพทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการปลูกถ่าย อวัยวะเทียม และกระดูกเทียม อย่างไรก็ตาม พฤติกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์ภายในไททาเนียมและความสัมพันธ์กับคุณสมบัติทางกายภาพยังไม่ได้รับการเข้าใจอย่างสมบูรณ์ ซึ่งถือเป็นความท้าทายที่สำคัญในศาสตร์ด้านวัสดุ

เทคโนโลยีการสร้างฮาร์มอนิกอันดับสูง: ก้าวข้ามการวิจัยแบบดั้งเดิม

ทีมวิจัยใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่า High Harmonic Generation (HHG) เพื่อเอาชนะข้อจำกัดของวิธีการวิจัยแบบดั้งเดิม การสร้างฮาร์มอนิกสูงเกิดขึ้นเมื่อพัลส์เลเซอร์อินฟราเรดที่แรงกระทบกับพื้นผิวของวัสดุ ส่งผลให้อิเล็กตรอนภายในวัสดุปล่อยสัญญาณแสงที่มีความถี่สูงกว่าเลเซอร์ ศาสตราจารย์อิคุฟุมิ คาตายามะ จากคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยแห่งชาติโยโกฮามา อธิบายว่า “เมื่อฉายพัลส์เลเซอร์อินฟราเรดเข้มข้นลงบนวัสดุ พฤติกรรมของอิเล็กตรอนจะถูกแปลงเป็นสัญญาณแสงความถี่สูง สัญญาณเหล่านี้ช่วยให้เราวิเคราะห์การเคลื่อนที่และรูปแบบพันธะของอิเล็กตรอนได้”

วัสดุโลหะ รวมถึงไททาเนียม มักจะสร้างฮาร์โมนิกอันดับสูงได้ยาก เนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระในโลหะมักจะทำปฏิกิริยากับสนามเลเซอร์อย่างรุนแรง ส่งผลให้เกิดเอฟเฟกต์ป้องกัน ทำให้การรวบรวมข้อมูลทำได้ยาก ศาสตราจารย์ Ikufumi Katayama ซึ่งเป็นผู้เขียนคนแรกของการศึกษานี้อธิบาย “เราสามารถลดเอฟเฟกต์ของการป้องกันด้วยการปรับการตั้งค่าเลเซอร์อย่างละเอียด และเป็นครั้งแรกที่เราสังเกตเห็นพฤติกรรมของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของไททาเนียมได้อย่างชัดเจน”

พฤติกรรมอิเล็กตรอนและคุณสมบัติทางกายภาพของไททาเนียม

ผ่านการจำลองทางคอมพิวเตอร์และการทดลองร่วมกัน ทีมวิจัยได้เผยให้เห็นถึงพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในไทเทเนียมที่มีผลต่อสมบัติทางกายภาพของมัน การวิจัยพบว่า คุณสมบัติพิเศษของไทเทเนียมอยู่ที่โครงสร้างที่มีแกนเดียวและวิธีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในแถบพลังงาน (energy bands) ซึ่งกำหนดคุณสมบัติทางกลของมัน ความแข็งแรงและความยืดหยุ่นของไทเทเนียมจะเปลี่ยนแปลงตามทิศทางของแรงที่ใช้ ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับการเคลื่อนที่และวิธีการเชื่อมต่อของอิเล็กตรอนในทิศทางต่างๆ

โดยเฉพาะทิศทางของเลเซอร์และการจัดเรียงของอะตอมไทเทเนียมมีผลต่อการเคลื่อนที่และการผูกพันของอิเล็กตรอน การวิจัยระบุว่า พฤติกรรมของอิเล็กตรอนที่ย้ายระหว่างแถบพลังงานต่างๆ เปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของพันธะของไทเทเนียม ซึ่งส่งผลต่อความยืดหยุ่นและความยืดหยุ่นของมัน “นี่ทำให้เรามีความเข้าใจว่าทำไมสมรรถภาพทางกลของไทเทเนียมจะเปลี่ยนแปลงภายใต้เงื่อนไขต่างๆ” ศาสตราจารย์คาตายามะกล่าว

การประยุกต์ใช้และแนวโน้มในอนาคต

ดร. เททซูยะ มัตสึนากะ จากองค์การวิจัยและพัฒนาอวกาศญี่ปุ่น (JAXA) ชี้ให้เห็นว่า การวิจัยครั้งนี้ได้ปูทางสำหรับการออกแบบโลหะผสมไทเทเนียมที่แข็งแรงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ด้วยวิธีใหม่นี้ เราสามารถวาดภาพความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างภายในและสมบัติของโลหะไทเทเนียมได้อย่างแม่นยำ ซึ่งจะช่วยให้เกิดวัสดุที่มีความสามารถในการแข่งขันมากขึ้นในสาขาการบิน การแพทย์ และการผลิตต่างๆ

เมื่อผลการวิจัยนี้ลึกซึ้งขึ้น นักวิทยาศาสตร์จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของไทเทเนียมได้อีก และสำรวจศักยภาพในการประยุกต์ใช้งานในสาขาเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ เช่น อุปกรณ์พลังงานที่มีประสิทธิภาพและวัสดุก่อสร้างในอนาคต การวิจัยไทเทเนียมกำลังก้าวไปสู่บทใหม่ของวิทยาศาสตร์วัสดุ และเติมพลังใหม่ให้กับความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของมนุษยชาติ

อ้างอิง：

• Scientists Crack the Code of Titanium’s Strength and Flexibility
• Ikufumi Katayama, Kento Uchida, Kimika Takashina, Akari Kishioka, Misa Kaiho, Satoshi Kusaba, Ryo Tamaki, Ken-ichi Shudo, Masahiro Kitajima, Thien Duc Ngo, Tadaaki Nagao, Jun Takeda, Koichiro Tanaka, Tetsuya Matsunaga. (2024) Three-dimensional bonding anisotropy of bulk hexagonal metal titanium demonstrated by high harmonic generation, Communications Physics, 7, 1-7.
• นักวิทยาศาสตร์ไขปริศนาความแข็งแกร่งและความยืดหยุ่นของโลหะไททาเนียม

(แหล่งที่มาของภาพ: วิกิพีเดีย)

สำหรับการบด เรามีการปรับแต่งตามความต้องการในการประมวลผล เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด

ยินดีต้อนรับที่จะติดต่อเรา เราจะมีคนที่จะตอบคำถามของคุณ

หากคุณต้องการใบเสนอราคาแบบกำหนดเองโปรดติดต่อเรา

เวลาทำการฝ่ายบริการลูกค้า : จันทร์ – ศุกร์ 09:00~18:00 น.

โทร : 07 223 1058

หากมีข้อสงสัยหรือคำถามที่ไม่ชัดเจนทางโทรศัพท์ โปรดอย่าลังเลที่จะส่งข้อความส่วนตัวถึงฉันทาง Facebook ~~

เฟซบุ๊ก HonWay: https://www.facebook.com/honwaygroup

คุณอาจสนใจ…