กระดาษธรรมดาทั่วไปเมื่อได้รับรังสีแกมมาจะถูกเปลี่ยนสภาพกลายเป็นกระดาษที่เปื่อยยุ่ย เสียหาย แต่นักวิจัยไทยกำลังพัฒนากระดาษที่สามารถทนรังสีได้ ซึ่งจะสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานเป็นอุปกรณ์ต่างๆ ได้ เช่น อุปกรณ์ตรวจวัดรังสี และองค์ความรู้เดียวกันนี้ยังสามารถต่อยอดสู่การพัฒนาชุดอวกาศหรือยานอวกาศได้ เนื่องจากกระดาษ ชุดอวกาศ และยานอวกาศ ล้วนเป็นวัสดุที่เรียกว่า “พอลิเมอร์”

นักวิจัยจากวิทยาลัยเทคโนโลยีและนวัตกรรมวัสดุ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง ร่วมกับนักวิจัยจากอีกหลายหน่วยงาน ได้แก่ สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี และมหาวิทยาลัยมหิดล ได้ร่วมพัฒนากระดาษทนรังสีแกมมาซึ่งเป็นรังสีที่มีสมบัติทะลุทะลวงสูง

ทั้งนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้นำวัสดุจากธรรมชาติคือกระดาษกรองซึ่งเป็นเซลลูโลสที่ได้จากพืชและเป็นพอลิเมอร์รูปแบบหนึ่ง มาจุ่มเคลือบ “วัสดุแผ่นบางไททาเนท” ซึ่งเป็นวัสดุคอมโพสิตและวัสดุนาโนสองมิติ (two-dimensional nanomaterials) ชนิดหนึ่ง โดยได้เคลือบวัสดุดังกล่าวที่ปริมาณ 0.6 มิลลิกรัมต่อตารางเซนติเมตร และสามารถเคลือบกระดาษได้ด้วยอุปกรณ์พื้นฐานที่มีอยู่ในห้องปฏิบัติการทั่วไป โดยไม่ต้องอาศัยอุณหภูมิสูงในการจุ่มเคลือบสาร เพราะสามารถปฏิบัติการได้ที่อุณหภูมิห้อง

 

ผลจากการเคลือบกระดาษด้วยวัสดุแผ่นบางไททาเนทพบว่า กระดาษดังกล่าวสามารถทนต่อรังสีแกมมา ได้มากกว่ากระดาษกรองที่ไม่ได้เคลือบวัสดุนาโนสูงสุดถึง 50 กิโลเกรย์ และเมื่อเทียบกับกระดาษที่ไม่ได้เคลือบ พบว่าโครงสร้าง รวมถึงสมบัติทางแสง และสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุคอมโพสิตที่เคลือบกระดาษเปลี่ยนไปเพียงเล็กน้อย

ข้อดีของการพัฒนากระดาษให้เป็นวัสดุที่ทนต่อรังสีแกมมาคือ กระดาษเป็นวัสดุที่สามารถใช้แล้วทิ้งได้ และกระดาษยังเป็นตัวรองรับ (substrate) ที่สามารถรวมหลายๆ สิ่งให้อยู่ด้วยกันได้ ซึ่งนักวิจัยนำไปพัฒนาเป็นอุปกรณ์วัดรังสีได้ เนื่องจากอุปกรณ์วัดรังสีต้องมีส่วนที่ได้รับรังสีแล้วเกิดการเปลี่ยนแปลง และส่วนที่ได้รับรังสีแล้วไม่มีการเปลี่ยนแปลง โดยการวัดจะแม่นยำและถูกต้องนั้น วัสดุรองรับต้องไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งจากการตรวจสอบด้วยเทคนิคภาพถ่ายเอกซเรย์สามมิติจากแสงซินโครตรอน (X-ray Tomography Microscopy: XTM) แสดงให้เห็นว่า เส้นใยเซลลูโลสไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐาณวิทยา หรือไม่เกิดการเปื่อยยุ่ย เสียหาย

นอกจากนี้เมื่อใช้เทคนิคภาพถ่ายเอกซเรย์สามมิติจากแสงซินโครตรอน ตรวจสอบการกระจายตัวของวัสดุแผ่นบางไททาเนทในวัสดุคอมโพสิต พบว่าวัสดุแผ่นบางไททาเนทกระจายตัวอยู่ในช่องว่างระหว่างเส้นใยเซลลูโลสของกระดาษ ผลที่ได้นี้สอดคล้องกับการพิสูจน์ลักษณะด้วยกล้องประเภทอื่น ได้แก่ กล้องจุลทรรศน์แสง กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดและแบบส่องผ่าน

 

เมื่อใช้เทคนิคภาพถ่ายเอกซเรย์สามมิติจากแสงซินโครตรอน ตรวจสอบการกระจายตัวของวัสดุแผ่นบางไททาเนทในวัสดุคอมโพสิต
พบว่าวัสดุแผ่นบางไททาเนทกระจายตัวอยู่ในช่องว่างระหว่างเส้นใยเซลลูโลสของกระดาษ

สำหรับวัสดุแผ่นบางไททาเนทซึ่งทำให้กระดาษสามารถทนต่อรังสีแกมมาได้นั้น เป็นวัสดุนาโนสองมิติ ชนิดหนึ่ง โดยวัสดุนาโนสองมิติเป็นวัสดุแผ่นบางๆ ที่มีความหนาระดับนาโนเมตร และเป็นวัสดุใหม่ที่ได้รับความสนใจอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีสมบัติที่ขึ้นกับทิศทางและความทนทานต่อสภาพที่รุนแรง อีกทั้งสามารถสังเคราะห์วัสดุดังกล่าวในรูปของสารผสมที่เรียกว่าคอลลอยด์ในน้ำได้ง่าย จึงสะดวกต่อการประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย

วัสดุนาโนสองมิติที่รู้จักกันดีคือกราฟีนซึ่งเป็นวัสดุที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบเพียงอย่างเดียว ขณะที่ไททาเนทซึ่งใช้ในงานวิจัยนี้มีไททาเนียมและออกซิเจนเป็นส่วนประกอบ ซึ่งนักวิจัยสามารถแทนที่ไททาเนียมด้วยธาตุอื่นๆ ได้เยอะกว่ากราฟีนที่เป็นเพียงคาร์บอนอย่างเดียว จึงสามารถปรับสมบัติต่างๆ ของวัสดุได้เยอะกว่ากราฟีน องค์ความรู้จากงานวิจัยนี้นอกจากนำไปพัฒนาเป็นอุปกรณ์ตรวจวัดรังสีแล้ว ยังสามารถต่อยอดสู่การพัฒนาชุดอวกาศและยานอวกาศที่ทนต่อรังสีในอวกาศได้ เนื่องจากชุดอวกาศและยานอวกาศนั้นเป็นพอลิเมอร์เช่นเดียวกับกระดาษ

งานวิจัยนี้ยังได้รับการตีพิมพ์ผลงานในวารสารวิชาการระดับนานาชาติ Ceramics International ซึ่งอยู่ในฐานข้อมูล WOS และ Scopus และได้รับการจัดระดับโดย Journal Citation Reports ในสาขา Materials Science, Ceramics ใน Quartile 1 (เปอร์เซนไทล์ที่ 91.1 และค่า Impact Factor เท่ากับ 5.2) ด้วย

 

ภาพถ่ายด้วยเทคนิค XTM ด้วยแสงซินโครตรอน เผยให้เห็นเส้นใยของกระดาษที่ไม่เคลือบสารต้านรังสียู (a,b) และกระดาษที่เคลือบสารต้านรังสียู (c,d)

 

 

ภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) เผยให้เห็นเส้นใยของกระดาษที่เคลือบสารต้านรังสี 

 

 

 

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

 

 

บทความโดย

ดร.ภัคนนันท์ ภัควนิตย์ นักวิทยาศาสตร์ระบบลำเลียงแสง สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
รองศาสตราจารย์ ดร.ทศพล เมลืองนนท์ และศาสตราจารย์ ดร.นราธิป วิทยากร สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง
ดร.ธนกร ความหมั่น สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)
ดร.พีรญา พูลผล และ ดร.ฐิติรัตน์ จรุญสุข มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ
ดร.สธน ผ่องอำไพ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
นายเชาวพัฒน์ เสรีวัฒนาชัย และ รองศาสตราจารย์ ดร.พงศกร กาญจนบุษย์ มหาวิทยาลัยมหิดล

เรียบเรียงโดย ส่วนสื่อสารองค์กร