What is metallic glass? - Ashwini Bharathula

Translator: Waritsara Jitmun Reviewer: Kelwalin Dhanasarnsombut

Steel and plastic.

เหล็กกล้าและพลาสติก

These two materials are essential to so much of our infrastructure and technology,

วัสดุสองชนิดนี้มีความสำคัญ ต่อโครงสร้างพื้นฐานและเทคโนโลยีของเรามาก

and they have a complementary set of strengths and weaknesses.

และพวกมันมีความแข็งและความเปราะ ที่แตกต่างกัน

Steel is strong and hard,

เหล็กกล้าแข็งแรงและทนทาน

but difficult to shape intricately.

แต่ทำให้เป็นรูปทรงที่ซับซ้อนได้ยาก

While plastic can take on just about any form,

ขณะที่พลาสติกสามารถทำเป็นรูปทรงต่าง ๆ ได้หลากหลาย

it's weak and soft.

มันเปราะและอ่อนนุ่ม

So wouldn't it be nice if there were one material

ดังนั้น มันน่าจะดีถ้ามีวัสดุชนิดหนึ่ง

as strong as the strongest steel

ที่มีความแข็งแรงดุจเหล็กกล้าที่แข็งที่สุด

and as shapeable as plastic?

และสามารถทำให้เป็นรูปทรงที่หลากหลาย ได้เหมือนพลาสติก

Well, a lot of scientists and technologists

เอาล่ะ ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ และผู้เชียวชาญด้านเทคโนโลยีจำนวนมาก

are getting excited about a relatively recent invention called metallic glass

กำลังรู้สึกตื่นเต้นกับสิ่งประดิษฐ์ใหม่ เรียกว่า "แก้วโลหะ" (metallic glass)

with both of those properties, and more.

ซึ่งมีคุณสมบัติของวัสดุทั้งคู่ และคุณสมบัติอื่น ๆ อีก

Metallic glasses look shiny and opaque, like metals,

โลหะแก้วมีลักษณะเป็นมันเงา และทึบแสงเหมือนเหล็กกล้า

and also like metals, they conduct heat and electricity.

และเช่นเดียวกับเหล็กกล้า พวกมันนำความร้อนและไฟฟ้าได้

But they're way stronger than most metals,

แต่พวกมันแข็งแรงกว่าโลหะส่วนใหญ่

which means they can withstand a lot of force

ซึ่งหมายความว่าพวกมันทนทาน ต่อแรงปริมาณมากได้

without getting bent or dented,

โดยปราศจากการคดงอหรือแหว่งเว้า

making ultrasharp scalpels,

นำไปทำเป็นมีดผ่าตัดที่มีความคมสุดขีด

and ultrastrong electronics cases,

และกล่องใส่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ที่มีความแข็งแรงสุดขั้ว

hinges,

บานพับ

screws;

ตะปูควง

the list goes on.

และอีกมากมาย

Metallic glasses also have an incredible ability

แก้วโลหะยังมีคุณสมบัติที่น่าเหลือเชื่อ

to store and release elastic energy,

คือกักเก็บและปลดปล่อยพลังงานยืดหยุ่น (elastic energy)

which makes them perfect for sports equipment,

ซึ่งทำให้พวกมันเป็นวัสดุ ที่เหมาะจะนำไปผลิตอุปกรณ์กีฬา

like tennis racquets,

เช่น ไม้เทนนิส

golf clubs,

ไม้ตีกอล์ฟ

and skis.

และ สกี

They're resistant to corrosion,

พวกมันทนต่อการกัดกร่อน

and can be cast into complex shapes with mirror-like surfaces

และสามารถถูกนำไปหล่อเป็นรูปทรงซับซ้อน ที่มีพื้นผิวเหมือนกระจกได้

in a single molding step.

ในการขึ้นรูปขั้นตอนเดียว

Despite their strength at room temperature,

แม้ว่ามันจะมีความแข็งแรงที่อุณหภูมิห้อง

if you go up a few hundred degrees Celsius,

ถ้าคุณเพิ่มอุณหภูมิให้สูงกว่า ร้อยกว่า ๆ องศาเซลเซียส

they soften significantly,

พวกมันจะอ่อนตัวลงอย่างมีนัยสําคัญ

and can be deformed into any shape you like.

และจะสามารถถูกทำให้เป็นรูปร่าง ได้ตามที่คุณต้องการ

Cool them back down,

เมื่อทำให้มันเย็นลง

and they regain the strength.

พวกมันจะกลับมามีความแข็งเแรงเหมือนเดิม

So where do all of these wondrous attributes come from?

แล้วคุณสมบัติมหัศจรรน์เหล่านี้มาจากไหนล่ะ

In essence, they have to do with metallic glass' unique atomic structure.

หลักการสำคัญคือมันเกี่ยวข้องกับ โครงสร้างอะตอมของแก้วโลหะที่มีความพิเศษ

Most metals are crystalline as solids.

โลหะส่วนใหญ่เป็นผลึกเป็นของแข็ง

That means that if you zoomed in close enough to see the individual atoms,

นั่นหมายความว่า หากคุณเข้าไปใกล้มากพอ ที่จะเห็นอะตอม

they'd be neatly lined up in an orderly, repeating pattern

คุณจะพบพวกมันเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ รูปแบบซ้ำ ๆ

that extends throughout the whole material.

กระจายอยู่ทั่วไปในเนื้อของวัสดุ

Ice is crystalline,

น้ำแข็งเป็นผลึก

and so are diamonds,

เพชรก็ด้วย

and salt.

เกลือก็เช่นกัน

If you heat these materials up enough and melt them,

ถ้าคุณให้ความร้อนสูงมากพอ ที่จะทำให้พวกมันละลาย

the atoms can jiggle freely and move randomly,

อะตอมจะสั่นและเคลื่อนที่อย่างสุ่ม

but when you cool them back down,

แต่เมื่อคุณทำให้มันเย็นลง

the atoms reorganize themselves,

อะตอมจะจัดเรียงตัวของพวกมันใหม่

reestablishing the crystal.

สร้างเป็นผลึกขึ้นอีกครั้ง

But what if you could cool a molten metal so fast

แต่จะเกิดอะไรขึ้น ถ้าคุณทำให้โลหะเหลว เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว

that the atoms couldn't find their places again,

จนทำให้อะตอมไม่สามารถ หาตำแหน่งเดิมของมันได้

so that the material was solid,

เพื่อที่วัสดุนั้นที่เคยเป็นของแข็ง

but with the chaotic, amorphous internal structure of a liquid?

แต่ด้วยความโกลาหล ทำให้มันกลายเป็นของเหลว ที่โครงสร้างภายในมีรูปร่างไม่แน่นอนล่ะ

That's metallic glass.

นั่นล่ะ คือแก้วโลหะ

This structure has the added benefit of lacking the grain boundaries

โครงสร้างของมันได้รับประโยชน์ จากการขาดขอบเขตที่ชัดเจนในเนื้อวัสดุ

that most metals have.

ซึ่งโลหะส่วนใหญ่มี

Those are weak spots where the material is more susceptible to scratches

นั่นคือจุดอ่อนที่ทำให้โลหะเหล่านั้น เป็นรอยได้ง่ายกว่า

or corrosion.

หรือผุกร่อน

The first metallic glass was made in 1960 from gold and silicon.

แก้วโลหะถูกสร้างขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1960 จากทองคำและซิลิคอน

It wasn't easy to make.

มันสร้างขึ้นได้ยาก

Because metal atoms crystallize so rapidly,

เพราะอะตอมของโลหะตกผลึกได้อย่างรวดเร็ว

scientists had to cool the alloy down incredibly fast,

นักวิทยาศาสตร์ต้องทำให้โลหะผสมนี้ เย็นลงอย่างรวดเร็วมาก

a million degrees Kelvin per second,

ในอัตราหนึ่งล้านองศาเคลวินต่อวินาที

by shooting tiny droplets at cold copper plates,

โดยการยิงละอองโลหะขนาดเล็กจิ๋ว ไปที่แผ่นทองแดงเย็นเฉียบ

or spinning ultrathin ribbons.

หรือการปั่นให้เป็นริบบิ้นเส้นบางเฉียบ

At that time, metallic glasses could only be tens or hundreds of microns thick,

ในเวลานั้น แก้วโลหะมีความหนา ได้แค่สิบหรือร้อยไมครอนเท่านั้น

which was too thin for most practical applications.

ซึ่งบางเกินไปสำหรับการนำไปใช้ประโยชน์ ในทางปฏิบัติ

But since then, scientists have figured out

นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา นักวิทยาศาสตร์ได้พบว่า

that if you blend several metals that mix with each other freely,

ถ้าคุณผสมโลหะหลาย ๆ ชนิด ที่รวมตัวกันอย่างอิสระ

but can't easily crystallize together,

แต่ตกผลึกพร้อมกันได้ยาก

usually because they have very different atomic sizes,

ซึ่งโดยทั่วไปเป็นเพราะว่าพวกมัน มีขนาดอะตอมที่ต่างกันมาก

the mixture crystallizes much more slowly.

สารผสมจึงตกผลึกได้ช้ากว่ามาก

That means you don't have to cool it down as fast,

นั่นหมายความว่า คุณไม่จำเป็นต้องรีบทำให้มันเย็นลง

so the material can be thicker,

ดังนั้น วัสดุจึงมีความหนาได้มากขึ้น

centimeters instead of micrometers.

เป็นระดับเซนติเมตร แทนที่จะเป็นไมโครเมตร

These materials are called bulk metallic glasses, or BMGs.

วัสดุนี้ถูกเรียกว่าแก้วโลหะขนาดใหญ่ (bulk metallic glass) หรือ BMG

Now there are hundreds of different BMGs,

ในปัจจุบันมี BMG ที่แตกต่างกันหลายร้อยชนิด

so why aren't all of our bridges and cars made out of them?

แล้วทำไมสะพานและรถยนต์ จึงไม่ได้สร้างจากพวกมันล่ะ

Many of the BMGs currently available are made from expensive metals,

BMG หลายชนิดที่ใช้งานได้ในปัจจุบัน สร้างขึ้นจากโลหะราคาแพง

like palladium and zirconium,

เช่น แพแลเดียม และ เซอร์โคเนียม

and they have to be really pure

และพวกมันต้องมีความบริสุทธิ์สูงมาก

because any impurities can cause crystallization.

เพราะความไม่บริสุทธิ๋ใด ๆ ก็ตาม สามารถก่อให้เกิดการตกผลึกได้

So a BMG skyscraper or space shuttle would be astronomically expensive.

ดังนั้น ตึกระฟ้าหรือยานอวกาศ ที่สร้างจาก BMG จึงมีราคาแพงมหาศาล

And despite their strength,

และถึงแม้ว่าพวกมันจะมีความแข็งแรง

they're not yet tough enough for load-bearing applications.

พวกมันก็ยังไม่ทนทานมากพอ สำหรับนำไปใช้รับน้ำหนักในงานก่อสร้าง

When the stresses get high, they can fracture without warning,

เมื่อมีความเครียดสูง พวกมันแตกร้าวได้ โดยไม่อาจรู้ได้ล่วงหน้า

which isn't ideal for, say, a bridge.

ซึ่งมันไม่ใช่วัสดุในอุดมคติ ยกตัวอย่างเช่น สำหรับการสร้างสะพาน

But when engineers figure out how to make BMGs from cheaper metals,

แต่เมื่อวิศวกรค้นพบวิธีสร้าง BMG จากโลหะที่มีราคาถูกกว่านี้ได้

and how to make them even tougher,

และทำให้มันมีความทนทานมากขึ้นได้

for these super materials,

วัสดุสุดแสนวิเศษนี้

the sky's the limit.

จะมีศักยภาพมากมายอย่างไร้ขีดจำกัด