Metamaterials หนึ่งในความก้าวหน้าในสาขา “วัสดุศาสตร์” ยุคใหม่ คือการคิดค้น Metamaterials ซึ่งเป็นวัสดุที่ไม่มีอยู่จริงในธรรมชาติ แต่ได้รับการออกแบบขึ้นมาโดยให้มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ
แม้ว่า ในขั้นตอนแรกๆ จะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีกับวัสดุที่มีอยู่เพื่อให้มีคุณสมบัติที่พึงปรารถนาดังกล่าวได้ ทุกอย่างเป็นไปเพื่อให้เกิดคุณสมบัติเชิงกลที่คาดไม่ถึง และน่าอัศจรรย์เหมือนเวทมนตร์ได้
ยกตัวอย่างเช่น เราอาจดัดแปลงพื้นผิวของวัสดุชนิดหนึ่งให้มีโครงสร้างที่หักเหคลื่นชนิดต่างๆ ให้เคลื่อนตัวออกไปได้มากขึ้น
ผลลัพธ์ก็คือ เราสามารถสร้าง “วัสดุล่องหน” ที่เรดาร์ตรวจจับไม่ได้ หรือวัสดุที่แยกเสียงได้อย่างสมบูรณ์ ผ่านการดัดแปลงสถาปัตยกรรมภายในโครงสร้างของมัน
“นวัตกรรมวัสดุ” ที่มีคุณสมบัติน่าอัศจรรย์ ไม่ว่าจะเป็น Nano ที่ใช้ผลิต Silicon Anode Battery คาร์บอนนาโนทิวบ์ขนาดจิ๋ว หรือเนื้อเยื่อกับอวัยวะมีชีวิตที่สร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ
ทั้งหมดนี้ บ่งบอกว่า ยุคสมัยของ “สุดยอดวัสดุ” ได้กลับเข้ามามีอิทธิพลในการดำเนินชีวิตของมนุษย์อีกครั้ง หลังจากเงียบหายไปหลายปี
อย่างไรก็ดี ดูเหมือนว่า “ยุคใหม่ของวัสดุศาสตร์” จะมุ่งเน้นให้ความสำคัญกับการนำไปใช้งานทางการแพทย์มากที่สุด
จากความต้องการจำเป็น และจากมูลค่าทางการตลาดในปัจจุบัน
ตัวอย่างที่สำคัญก็คือ โครงการ The HUMAN eye Project ที่กำลังพัฒนา และทดสอบ “กระจกตาเทียม” ที่สร้างจาก Shape Memory Material หรือ SMM ที่สามารถกระตุ้นกระจกตาให้คืนสู่รูปทรงเดิมได้เอง หากถูกทำให้ผิดรูป โดยใช้ Nitinol โลหะผสม หรือ “อัลลอย” ที่ขึ้นรูปจาก “นิกเกิล” และ “ไทเทเนียม” ซึ่งปัจจุบันมีการใช้งานวัสดุนี้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์แล้วหลายชนิด เช่น สายสวนหลอดเลือด และท่อในอวัยวะต่างๆ หรือ Stent ลวดจัดฟัน และสกรูยึดกระดูก เป็นต้น
หาก The HUMAN eye Project ประสบความสำเร็จ มวลมนุษยชาติจะสามารถรักษาโรคต่างๆ เกี่ยวกับ “กระจกตา” ได้ทั้งหมด
นอกจากนี้ ประโยชน์ของ SMM ยังมีอีกมากที่นอกเหนือไปจากการประยุกต์ใช้ในวงการแพทย์ ทำให้คาดการณ์กันว่า ตลาดของ SMM จะขยายตัวเพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดด
ตัวอย่างของ SMM เห็นได้จากงานแสดงสินค้าทางเทคโนโลยี Hannover Messe โดยอยู่ในรูปของ “ตู้เย็นเครื่องแรกของโลก” ซึ่งสามารถทำความเย็นได้ด้วย “กล้ามเนื้อเทียม” ที่ทำจาก Nitinol เรียกว่า “กล้ามเนื้อนาโน” หรือ Nanomuscle ที่สร้างจาก Nitinol เชื่อมต่อกับ SMM ทำหน้าที่เป็นมอเตอร์ของตู้เย็นดังกล่าว
โดยปัจจุบัน “อวัยวะเทียม” ที่ทำจาก SMM มีการผลิตขึ้นตามสั่งในห้องปฏิบัติการแล้ว โดยสามารถปรับแต่งรูปทรงด้วยเครื่องพิมพ์แบบ 3D เพื่อให้สอดคล้องกับขนาดของอวัยวะภายในของผู้ป่วยแต่ละคน
โดยเมื่อผ่าตัดปลูกถ่าย หรือฝัง “อวัยวะเทียม” นี้เข้าไปในร่างกายแล้ว มันจะกางออก หรือขยายตัวได้เอง รวมทั้งมีความทนทานต่อการกระแทก ซึ่งอาจเกิดขึ้นจากการบำบัดรักษาที่รุนแรงอีกด้วย
ล่าสุด ได้มีการพัฒนากระบวนการผลิต SMM โดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์แบบ 4D เพื่อให้อวัยวะเทียมสามารถเปลี่ยนแปลงขนาด รูปทรง และองค์ประกอบได้ตามกาลเวลา
ทั้งหมดนี้ได้นำไปสู่โอกาสในการสร้าง และฟื้นฟูเนื้อเยื่อใหม่ รวมทั้งเพิ่มโอกาสที่การผ่าตัดทำศัลยกรรมตกแต่ง และเสริมสร้าง หรือ Reconstructive Surgery ประสบความสำเร็จมากขึ้นอีกด้วย
อันดับต่อมาคือ เทคโนโลยีการพิมพ์ชีวภาพ หรือ Bioprinting ที่ได้เข้ามามีบทบาทสำคัญกับวงการเนื้อเยื่อ และอวัยวะเทียม
กระบวนการทำงานคือ การผสานเซลล์สิ่งมีชีวิต เข้ากับวัสดุชีวภาพหลายชนิด เพื่อสร้างเนื้อเยื่อมีชีวิต และอวัยวะใหม่สำหรับการปลูกถ่าย ทดแทนส่วนที่ชราภาพหรือได้รับความเสียหาย
นอกจากนี้ เนื้อเยื่อ และอวัยวะจาก Bioprinting ยังสามารถนำไปทดแทนสัตว์ทดลองงานวิจัยทางเภสัชวิทยา หรือใช้เป็นแบบจำลองพยาธิสภาพของโรคชนิดต่างๆ เพื่อค้นหา และทดสอบวิธีบำบัดรักษาที่มีประสิทธิภาพต่อไป อาทิ การผลิต “เส้นเอ็นเทียม” ที่ออกแบบโดยได้รับแรงบันดาลใจจากสิ่งมีชีวิต หรือ Bioinspired Tendon ที่ทำสำเร็จได้แล้วในปัจจุบัน
ทั้งนี้ ในปัจจุบัน ขั้วลบของแบตเตอรี่ชนิดลิเทียม-ไอออน สามารถผลิตขึ้นจากเส้นใยเล็กจิ๋ว และบางเฉียบที่เรียกว่า Silicon Nanofiber เพื่อให้แบตเตอรี่มีความจุไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหลายเท่า เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่ขั้วลบทำจากถ่านกราไฟต์ ซึ่งเป็นชนิดที่ใช้กันอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน
ขั้วลบของแบตเตอรี่ที่ทำจาก Silicon Nanofiber มีลักษณะเป็นแผ่นบางเหมือนกระดาษ และได้เริ่มมีการผลิตจริงในระดับอุตสาหกรรมแล้ว คือที่ Floatech ในสังกัดสถาบันวัสดุ IMDEA ของสเปน
นอกจากนี้ยังมีการประยุกต์ใช้ Nanoparticles ในส่วนประกอบอื่นๆ ของแบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออน เพื่อป้องกันการระเบิดในส่วนของสารอิเล็กโทรไลต์ และตัวกล่องบรรจุแบตเตอรี่ด้วย
ทุกวันนี้ แม้แต่วัสดุมหัศจรรย์ที่นิยมใช้มากันระยะหนึ่งแล้วอย่าง Carbon Nanotube สามารถจะนำวัสดุนี้กลับมาใช้ใหม่ได้ ด้วยกระบวนการที่เหมือนกับการเล่นตัวต่อ LEGO โดยการทำให้มันหวนคืนสภาพเดิมกลับไปเป็นหน่วยย่อยคล้ายกับอิฐแต่ละก้อนในการก่อสร้าง
กระบวนการดังกล่าวเกิดขึ้นด้วยการหลอมละลาย Carbon Nanotube ที่ใช้แล้ว ให้กลายเป็นสารละลายผลึกคริสตัลเหลว จากนั้นนำไปปั่นให้กลายเป็นเส้นใยคุณภาพสูง
ความก้าวหน้าในเรื่องนี้ ผนวกกับการพัฒนาพอลิเมอร์ที่รีไซเคิลได้หลายรอบได้เปิดประตูสู่อนาคตที่สดใสของวงการวัสดุคอมโพสิต ซึ่งจะสร้างประโยชน์มากมายให้อุตสาหกรรมหลายประเภท โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ภาคอุตสาหกรรมการบิน ที่จะมีความยั่งยืน และความปลอดภัยเพิ่มมากขึ้น เช่น การนำวัสดุนาโนไปทำเป็นเซนเซอร์ เพื่อคอยตรวจจับความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับโครงสร้างของตัวเครื่องบินในระหว่างเดินอากาศเป็นต้น
การถือกำเนิดของวัสดุอัลลอยเอนโทรปีสูง หรือ HEA เช่น วัสดุทนความร้อนสูงสำหรับใช้ในเครื่องยนต์ของเครื่องบิน แม่เหล็กชนิดพิเศษ และวัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษทางไฟฟ้า ซึ่งจำเป็นต่อการสร้างระบบผลิตพลังงานแบบใหม่ เนื่องจาก HEA มีทั้งความแข็งแรงทนทาน และยังมีความอ่อนตัวจนสามารถดึง หรือบิดให้กลายเป็นรูปทรงต่างๆ ได้พร้อมๆ กัน ทำให้วัสดุแห่งอนาคตนี้มีศักยภาพสูงในการใช้งานอเนกประสงค์
แหล่งข้อมูล