สุดยอดวัสดุมหัศจรรย์ที่จะเปลี่ยนแปลงโลกในปี 2025

นวัตกรรมจากวัสดุล้ำสมัยที่มีคุณสมบัติน่าอัศจรรย์ ไม่ว่าจะเป็นวัสดุนาโนที่ใช้ผลิตแบตเตอรีขั้วลบซิลิคอน (silicon anode battery) ท่อคาร์บอนนาโนทิวบ์ขนาดจิ๋ว หรือเนื้อเยื่อกับอวัยวะมีชีวิตที่สร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ ล้วนเป็นสัญญาณบ่งชี้ว่า ยุคสมัยที่สุดยอดวัสดุเข้ามามีอิทธิพลอย่างสูงต่อการดำเนินชีวิตของคนเราได้เริ่มขึ้นแล้ว

ดูเหมือนว่ายุคใหม่ของวัสดุศาสตร์นี้ จะมุ่งเน้นให้ความสำคัญกับการพัฒนาสุดยอดวัสดุ เพื่อนำไปใช้งานทางการแพทย์และการดูแลสุขภาพมากที่สุด โดยผลงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์เพื่อค้นหาและพัฒนาวัสดุใหม่ ๆ ดูจะส่งผลกระทบต่อวงการแพทย์มากกว่าอุตสาหกรรมอื่น ๆ

ความก้าวหน้านี้ทำให้หลายคนตั้งคำถามว่า เป็นไปได้ไหมที่เราจะมีอุตสาหกรรมผลิตอวัยวะเทียม ? เป็นไปได้หรือไม่ที่เนื้อเยื่อหรืออวัยวะซึ่งได้รับการปลูกถ่าย สามารถจะถูกดูดซับเข้าเป็นส่วนหนึ่งของร่างกายได้ทันที ทั้งยังงอกหรือเจริญเติบโตเพิ่มขึ้นได้จากกระดูกของเราเอง ?

นอกจากคำถามข้างต้นแล้ว ยังมีความเป็นไปได้ที่น่าสนใจอีกมากจากการพัฒนาทางวัสดุศาสตร์ เช่นเป็นไปได้ไหมที่เราจะปรับแต่งอวัยวะสำหรับการปลูกถ่าย ให้สอดคล้องกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของหลอดเลือดแดงใหญ่ในแต่ละคน ? เป็นไปได้หรือไม่ที่จะจำลองพยาธิสภาพหรืออาการเจ็บป่วยกับอวัยวะเทียม เพื่อศึกษาวิจัยให้ได้วิธีบำบัดรักษา และทำการทดสอบความปลอดภัยก่อนจะนำไปใช้จริงกับผู้ป่วย ? สักวันหนึ่งมนุษย์เราสามารถจะมีชีวิตอมตะและคงความเยาว์วัยไปตลอดกาลได้หรือไม่ ?

ปฏิวัติวงการเนื้อเยื่อและอวัยวะเทียม

โครงการ "ดวงตามนุษย์" (The HUMANeye Project) กำลังพัฒนาและทดสอบกระจกตาเทียมที่สร้างจากวัสดุทรงจำรูปร่าง (shape memory material – SMM) ซึ่งสามารถกระตุ้นให้คืนสู่รูปทรงเดิมได้เอง หากถูกทำให้ผิดรูปไป โดยวัสดุที่ใช้ในครั้งนี้คือ "นิทินอล" (nitinol) โลหะผสมหรืออัลลอยที่มาจากนิกเกิลและไทเทเนียม ซึ่งปัจจุบันมีการใช้งานวัสดุนี้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์แล้วหลายชนิด เช่นสายสวนหลอดเลือดและท่อในอวัยวะต่าง ๆ (stent) ลวดจัดฟัน และสกรูยึดกระดูก

หากโครงการนี้ประสบความสำเร็จ มนุษย์จะสามารถรักษาโรคต่าง ๆ เกี่ยวกับกระจกตาได้ทั้งหมด แม้ว่าก่อนหน้านี้ โรคในกลุ่มดังกล่าวจะเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้คนทั่วโลกต้องพิการทางสายตาก็ตาม

ประโยชน์ของวัสดุทรงจำรูปร่างยังมีอีกมากที่นอกเหนือไปจากการประยุกต์ใช้ในวงการแพทย์ ทำให้คาดการณ์กันว่าตลาดของวัสดุอัลลอยที่ทรงจำรูปร่างได้ จะขยายตัวเพิ่มขึ้นด้วยอัตราการเติบโตต่อปีแบบทบต้น (CAGR) ถึง 11.2% ระหว่างปี 2022-2029

ตัวอย่างหนึ่งของนวัตกรรมประเภทนี้ ถูกนำเสนอในงานแสดงสินค้าทางเทคโนโลยี Hannover Messe โดยอยู่ในรูปของตู้เย็นเครื่องแรกของโลก ซึ่งสามารถทำความเย็นได้ด้วย "กล้ามเนื้อเทียม" ที่ทำจากวัสดุนิทินอล

ปัจจุบันอวัยวะเทียมที่ทำจากวัสดุทรงจำรูปร่างดังกล่าว มีการผลิตขึ้นตามสั่งในห้องปฏิบัติการแล้ว โดยสามารถปรับแต่งรูปทรงด้วยการพิมพ์สามมิติ (3D) ให้สอดคล้องกับขนาดของอวัยวะภายในของผู้ป่วยแต่ละคนได้ เมื่อผ่าตัดปลูกถ่ายหรือฝังอวัยวะเทียมประเภทนี้เข้าไปในร่างกายแล้ว มันจะกางออกหรือขยายตัวขึ้นได้เอง รวมทั้งมีความทนทานต่อการกระทบกระแทก ซึ่งอาจเกิดขึ้นจากการบำบัดรักษาที่รุนแรงในครั้งต่อ ๆ ไป

ล่าสุดได้มีการพัฒนากระบวนการผลิตวัสดุทรงจำรูปร่าง โดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สี่มิติ (4D) เพื่อให้อวัยวะเทียมสามารถเปลี่ยนแปลงขนาด รูปทรง และองค์ประกอบได้ตามกาลเวลา ซึ่งจะนำไปสู่โอกาสในการสร้างและฟื้นฟูเนื้อเยื่อใหม่ รวมทั้งเพิ่มโอกาสที่การผ่าตัดทำศัลยกรรมตกแต่งและเสริมสร้าง (reconstructive surgery) จะประสบความสำเร็จสูงขึ้นด้วย

ส่วนเทคโนโลยีการพิมพ์ชีวภาพ (bioprinting) ก็กำลังเข้ามามีบทบาทสำคัญกับวงการเนื้อเยื่อและอวัยวะเทียม โดยมีการผสมผสานเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเข้ากับวัสดุชีวภาพหลายชนิด เพื่อสร้างเนื้อเยื่อมีชีวิตและอวัยวะใหม่สำหรับการปลูกถ่าย ทดแทนส่วนที่ชราภาพหรือได้รับความเสียหายภายในร่างกาย นอกจากนี้ เนื้อเยื่อและอวัยวะจากการพิมพ์ชีวภาพ ยังสามารถนำมาใช้แทนสัตว์ทดลองในการศึกษาวิจัยทางเภสัชวิทยา หรือใช้เป็นแบบจำลองพยาธิสภาพของโรคชนิดต่าง ๆ เพื่อค้นหาและทดสอบวิธีบำบัดรักษาที่มีประสิทธิภาพ อันที่จริงเราสามารถการผลิตเนื้อเยื่อเทียม อย่างเช่นเส้นเอ็นเทียมที่ออกแบบโดยได้รับแรงบันดาลใจจากสิ่งมีชีวิต (bioinspired tendon) ได้สำเร็จแล้วในปัจจุบัน

แบตเตอรีที่มีความจำเพิ่มขึ้นด้วยวัสดุนาโน

ในที่สุดวัสดุนาโน (nanomaterial) ก็ถูกนำมาใช้ในแวดวงอุตสาหกรรมกันมากขึ้น ผ่านการคิดค้นและพัฒนาแบตเตอรีชนิดใหม่ รวมทั้งการพัฒนาวัสดุผสมหรือวัสดุคอมโพสิต (composite material) ชนิดล่าสุด

ปัจจุบันขั้วลบของแบตเตอรีชนิดลิเทียม-ไอออน สามารถผลิตขึ้นจากเส้นใยเล็กจิ๋วและบางเฉียบที่เรียกว่า "ซิลิคอนนาโนไฟเบอร์" (silicon nanofiber) เพื่อให้แบตเตอรีมีความจุไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหลายเท่า เมื่อเทียบกับแบตเตอรีที่ขั้วลบทำจากถ่านกราไฟต์ซึ่งเป็นชนิดที่ใช้กันอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน แต่ผู้ใช้จำเป็นต้องชาร์จไฟใหม่ให้แบตเตอรีแบบเก่านี้หลายรอบยิ่งกว่า

ขั้วลบของแบตเตอรีที่ทำจากวัสดุล้ำสมัยเหล่านี้ มีลักษณะเป็นแผ่นบางเหมือนกระดาษ และได้เริ่มมีการผลิตจริงในระดับอุตสาหกรรมแล้วที่โรงงานนำร่องของโครงการความริเริ่ม Floatech ในสังกัดสถาบันวัสดุ IMDEA ของสเปน นอกจากนี้ยังมีการประยุกต์ใช้อนุภาคที่เล็กจิ๋วระดับนาโน (nanoparticles) ในส่วนประกอบอื่น ๆ ของแบตเตอรีลิเทียม-ไอออน เพื่อป้องกันการระเบิดในส่วนของสารอิเล็กโทรไลต์และตัวกล่องบรรจุแบตเตอรีด้วย

คาร์บอนนาโนทิวบ์ที่รีไซเคิลได้

แม้แต่วัสดุมหัศจรรย์ที่นิยมใช้มากันระยะหนึ่งแล้วอย่างคาร์บอนนาโนทิวบ์ (carbon nanotube) ก็ยังประสบปัญหาในเรื่องของการนำกลับมาใช้ใหม่หรือรีไซเคิลได้ยาก แต่ล่าสุดมีผู้ค้นพบวิธีแก้ปัญหาดังกล่าวแล้ว โดยงานวิจัยที่เพิ่งลงตีพิมพ์ในวารสารวิชาการ Carbon ชี้ว่าสามารถจะนำวัสดุนี้กลับมาใช้ใหม่ได้ ด้วยกระบวนการที่เหมือนกับการเล่นประกอบตัวต่อเลโก (LEGO) ซึ่งจะทำให้มันหวนคืนสภาพเดิม โดยกลับไปเป็นหน่วยย่อยที่คล้ายกับอิฐแต่ละก้อนในการก่อสร้าง

กระบวนการดังกล่าวจะหลอมละลายวัสดุคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่ใช้แล้ว ให้กลายเป็นสารละลายผลึกคริสตัลเหลว ซึ่งจะสามารถนำไปปั่นให้กลายเป็นเส้นใยคุณภาพสูงใหม่ได้ ความก้าวหน้าในเรื่องนี้ผนวกกับการพัฒนาพอลิเมอร์ที่รีไซเคิลได้หลายรอบมากขึ้นกว่าเดิม จะเปิดประตูสู่อนาคตที่สดใสของวงการวัสดุคอมโพสิต ซึ่งจะสร้างประโยชน์มากมายให้อุตสาหกรรมหลายประเภท โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับภาคอุตสาหกรรมการบินที่จะมีความยั่งยืนและความปลอดภัยเพิ่มมากขึ้น เช่นอาจนำวัสดุนาโนไปทำเป็นเซนเซอร์ เพื่อคอยตรวจจับความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับโครงสร้างของตัวเครื่องบิน ในระหว่างการเดินอากาศ

วัสดุอเนกประสงค์ที่ทั้งอ่อนและแข็งในเวลาเดียวกัน

การถือกำเนิดของวัสดุอัลลอยเอนโทรปีสูง (HEA) ในปี 2004 เปิดโอกาสสู่การพัฒนาเพื่อให้ใช้งานได้ในหลากหลายแนวทางด้วยกัน ปัจจุบันนักออกแบบโลหะผสมหรืออัลลอย ใกล้จะประสบความสำเร็จในการประดิษฐ์คิดค้นสุดยอดวัสดุจาก HEA ได้หลายชนิด เช่นวัสดุที่ทนทานความร้อนสูงสำหรับใช้ในเครื่องยนต์ของเครื่องบิน แม่เหล็กชนิดพิเศษ และวัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษทางไฟฟ้าซึ่งจำเป็นต่อการสร้างระบบผลิตพลังงานแบบใหม่

ไม่นานมานี้การค้นพบวัสดุ HEA ได้ทำให้นักวัสดุศาสตร์สามารถจะเริ่มพัฒนาวัสดุที่มีคุณสมบัติเหลือเชื่อ นั่นก็คือมีทั้งความแข็งแรงทนทาน และยังมีความอ่อนตัวจนสามารถดึงหรือบิดให้กลายเป็นรูปทรงต่าง ๆ ได้ด้วย ทำให้วัสดุแห่งอนาคตนี้มีศักยภาพสูงในการใช้งานอย่างอเนกประสงค์

อภิวัสดุ (metamaterials)

หนึ่งในความก้าวหน้าทางวัสดุศาสตร์ยุคใหม่ นั่นก็คือการคิดค้นอภิวัสดุ (metamaterials) ซึ่งเป็นวัสดุที่ไม่มีอยู่จริงในธรรมชาติ แต่ได้รับการออกแบบขึ้นมาโดยให้มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ แม้ในตอนแรกจะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีกับวัสดุที่มีอยู่ เพื่อให้มีคุณสมบัติที่พึงปรารถนาดังกล่าวได้ก็ตาม

ตัวอย่างเช่นเราอาจดัดแปลงพื้นผิวของวัสดุชนิดหนึ่ง โดยให้มีโครงสร้างที่สะท้อน หักเห หรือผลักให้คลื่นชนิดต่าง ๆ เคลื่อนตัวออกไปได้มากขึ้น ผลก็คือเราสามารถจะสร้างวัสดุล่องหนที่เรดาร์ตรวจจับไม่ได้ หรือแม้กระทั่งวัสดุที่แยกเสียงได้อย่างสมบูรณ์ ผ่านการดัดแปลงสถาปัตยกรรมภายในโครงสร้างของมัน เพื่อให้เกิดคุณสมบัติเชิงกลที่คาดไม่ถึงและน่าอัศจรรย์เหมือนเวทมนตร์ได้

เอไอทำให้ทุกสิ่งพัฒนาเร็วขึ้น

การพัฒนาวัสดุใหม่ในยุคสมัยนี้ ล้วนเกิดขึ้นได้จากการสนับสนุนของสามเสาหลัก ได้แก่การผลิตในเชิงอุตสาหกรรมแบบใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ, การมาถึงของปัญญาประดิษฐ์หรือเอไอ (AI), และการพัฒนาโดยอิงกับหลักความยั่งยืนและการใช้ทรัพยากรที่เป็นวัตถุดิบอย่างมีประสิทธิภาพ

งานวิจัยทางวัสดุศาสตร์ที่นำเอไอมาช่วยในการศึกษาทดลองนั้น มีเพิ่มขึ้นในอัตราถึง 1.67 เท่าในแต่ละปี ตลอดช่วงหนึ่งทศวรรษที่ผ่านมา แต่การพัฒนาวัสดุอย่างยั่งยืนนั้นไม่ง่าย เพราะต้องคำนึงถึงทรัพยากรอย่างเช่นโลหะ ว่าเรายังมีแร่ธาตุเหล่านี้หลงเหลืออยู่บนโลกในปริมาณจำกัดมากน้อยเพียงใด

ยิ่งไปกว่านั้น นักวัสดุศาสตร์ยุคใหม่ยังต้องพยายามออกแบบสุดยอดวัสดุ ด้วยวิธีคิดนอกกรอบและลองใช้แนวคิดที่ไม่เคยมีใครได้ลองพิจารณามาก่อน เช่นอาจจะจินตนาการถึงวัสดุประหลาดที่มีคุณสมบัติหลายอย่างในตัวที่ขัดแย้งกัน ซึ่งในศตวรรษที่ 21 นี้ เอไอสามารถจะช่วยผสมผสานจินตนาการหลากหลายแบบที่มีความเป็นไปได้ออกมามากขึ้น จนอาจจะพูดได้ว่า เราก้าวเข้าสู่ยุคที่เอไอเสกสรรค์ทุกสิ่งให้เป็นจริงได้แล้ว