แสงซินโครตรอน

(Synchrotron light)

 

ดร.ประพงษ์ คล้ายสุบรรณ์

รองผู้อำนวยการปฏิบัติการ สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

 

            แสงซินโครตรอน (Synchrotron light) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากอนุภาคมีประจุ เช่น อิเล็กตรอนหรือโปรตอน ที่มีความเร็วสูงและเกิดความเร่ง (มีการเปลี่ยนแปลงความเร็ว หรือเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ หรือทั้งสองอย่าง) ทำให้พลังงานจลน์บางส่วนของอนุภาคนั้นถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แสงซินโครตรอนสามารถเกิดขึ้นได้เองตามธรรมชาติ เช่น แสงที่เราสังเกตเห็นจากกลุ่มก๊าซมีประจุในอวกาศที่เราเรียกว่า เนบิวลา ซึ่งเป็นกลุ่มของไอออนที่มีทั้งความเร็วและความเร่งเนื่องจากอยู่ในกระบวนการก่อกำเนิดดาวฤกษ์หรืออยู่ในกระบวนการภายหลังการระเบิดของดาวฤกษ์ (ซุปเปอร์โนวา) เรายังสามารถผลิตแสงซินโครตรอนได้โดยใช้เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ซึ่งให้แสงที่มีพลังงานครอบคลุมตั้งแต่ย่านแสงอินฟราเรดไปจนถึงย่านรังสีเอ็กซ์พลังงานสูง และมีความเข้มของแสงสูงมาก นักวิจัยใช้แสงซินโครตรอนในการศึกษาคุณสมบัติต่าง ๆ ของสิ่งที่สนใจในระดับอะตอมและโมเลกุล

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบไปด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้ามีทิศตั้งฉากซึ่งกันและกัน

 

แสงซินโครตรอนจากเนบิวลาโอเมกา (ซ้าย) และแสงซินโครตรอนจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน (ขวา)

 

---

 

            มนุษย์ผลิตแสงซินโครตรอนขึ้นจากเครื่องเร่งอนุภาค (Particle accelerator) แนววงกลม (Circular accelerator) ชนิดที่เรียกว่าซินโครตรอน (Synchrotron) จึงเป็นที่มาของคำว่า แสงซินโครตรอน ดังนั้น เครื่องเร่งอนุภาคดังกล่าวจึงถูกเรียกกันโดยทั่วไปว่า เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน (Synchrotron light source) เครื่องเร่งอนุภาคนั้นเป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ทำหน้าที่เร่งพลังงานของอนุภาคที่มีประจุให้มีพลังงานสูง อนุภาคที่มีพลังงานสูงจะมีความเร็วสูงมากจนเกือบเท่าความเร็วของแสง เครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดของโลกในปัจจุบันมีชื่อว่า Large Hadron Collider (LHC) ซึ่งตั้งอยู่ ณ พรมแดนระหว่างประเทศสมาพันธรัฐสวิสกับประเทศสาธารณรัฐฝรั่งเศส แต่ปัจจุบันมีโครงการที่จะสร้างเครื่องเร่งอนุภาค Future Circular Collider (FCC) ที่ใหญ่กว่า LHC ถึง 4 เท่า และมีพลังงานสูงกว่า LHC ถึง 7 เท่า

 

เครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider ขององค์การวิจัยนิวเคลียร์ยุโรป (เซิร์น)

 

พลังงานและขนาดของเครื่องเร่งอนุภาค FCC เทียบกับ LHC

 

           เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเกือบทั้งหมดในโลกจะเลือกใช้อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่นำมาเร่งพลังงานเนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมีประจุที่ผลิตได้ง่ายและมีมวลน้อย (น้ำหนักเบา) จึงทำให้เร่งความเร็วได้ง่าย ถ้าเทียบกันแล้วจะพบว่าโปรตอนนั้นหนักกว่าอิเล็กตรอนเกือบ 2,000 เท่า ถ้าเราเปรียบว่าอิเล็กตรอนคือลูกฟุตบอล โปรตอนจะหนักเท่ากับรถยนต์คันหนึ่งเลยทีเดียว เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนนั้นประกอบไปด้วย 2 ส่วนประกอบหลัก ได้แก่ ระบบผลิตและเร่งพลังงานอิเล็กตรอน มีหน้าที่ผลิตอิเล็กตรอนด้วยปืนอิเล็กตรอน และเร่งพลังงานของอิเล็กตรอนที่ผลิตขึ้นให้มีพลังงานสูงจนกระทั่งมีความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง ส่วนประกอบที่สองได้แก่วงกักเก็บอิเล็กตรอน มีหน้าที่กักเก็บอิเล็กตรอนพลังงานสูงและผลิตแสงซินโครตรอน

 

เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนของประเทศไทย “เครื่องกำเนิดแสงสยาม”

 

---

           ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับแสงซินโครตรอนนั้นมีการศึกษาค้นคว้ากันมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1897 เริ่มจากนักฟิสิกส์ชาวไอริชชื่อ โจเซฟ ลาร์มอร์ (Joseph Larmor) ได้คิดสมการคำนวณกำลังของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากอนุภาคมีประจุที่อยู่ภายใต้ความเร่ง สมการดังกล่าวภายหลังถูกเรียกว่า สูตรของลาร์มอร์ (Larmor formula) ต่อมาในปี ค.ศ. 1898 และ 1900 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อ อัลเฟรด-มารี ลีนาร์ด (Alfred-Marie Liénard) และนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ อีมิล วายเชิร์ต (Emil Wiechert) ได้ขยายสมการนี้ให้ครอบคลุมไปถึงกรณีที่อนุภาคมีประจุนั้นมีความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง ผลงานนี้เป็นที่มาของศักย์ไฟฟ้าที่นักฟิสิกส์เรียกว่า ศักย์ไฟฟ้าของลีนาร์ดและวายเชิร์ต (Liénard-Wiechert potentials) จากนั้น นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลชาวอเมริกันชื่อ จูเลียน ชวิงเกอร์ (Julian Schwinger) ได้คิดทฤษฎีอธิบายคุณสมบัติโดยละเอียดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปลดปล่อยจากอิเล็กตรอนที่มีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสงภายใต้ความเร่งในปี ค.ศ. 1945 เราทราบถึงคุณลักษณะหลายประการของแสงซินโครตรอนที่เกิดขึ้นโดยกระบวนการดังกล่าวจากทฤษฏีของชวิงเกอร์นี้

 

โจเซฟ ลาร์มอร์ (ซ้าย) และ จูเลียน ชวิงเกอร์ (ขวา)

 

           มีประวัติที่มนุษย์สังเกตเห็นแสงซินโครตรอนเป็นครั้งแรกคือการสังเกตเห็นเนบิวลาปู (Crab nebula) โดยนักดาราศาสตร์ชาวจีนที่ถูกบันทึกไว้เมื่อปี ค.ศ. 1054  ส่วนแสงซินโครตรอนที่มนุษย์ผลิตขึ้นนั้นมีการสังเกตเห็นเป็นครั้งแรกจากเครื่องเร่งอนุภาคซินโครตรอนที่บริษัทเจนเนอรัลอิเล็กทริก (General Electric) ที่เมืองนิวยอร์ก ประเทศสหรัฐอเมริกา ในปี ค.ศ. 1947 แต่ในขณะนั้นยังไม่มีการนำแสงซินโครตรอนมาใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ จนกระทั่งภายหลังปี ค.ศ. 1960 จึงเริ่มมีการนำแสงซินโครตรอนมาใช้ในการวิจัยแทนหลอดรังสีเอ็กซ์ที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์

 

แสงซินโครตรอนจากเครื่องซินโครตรอนที่บริษัทเจนเนอรัลอิเล็กทริก

 

---

            ในประเทศไทยนั้นมีเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนขนาดพลังงาน 1.2 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ (1.2 Gigaelectronvolts หรือ 1.2 GeV มีค่าเท่ากับ 1,200 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์) ชื่อ “เครื่องกำเนิดแสงสยาม”  หรือ Siam Photon Source (SPS) อยู่ที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) จังหวัดนครราชสีมา สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนเป็นสถาบันวิจัยในสังกัดของกระทรวงอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม มีพันธกิจสนับสนุนงานวิจัยและพัฒนาด้านวิทยาศาสตร์ขั้นสูงด้วยแสงซินโครตรอนซึ่งมีความเข้มสูง และครอบคลุมพลังงานตั้งแต่ย่านอินฟราเรดจนถึงรังสีเอกซ์พลังงานสูงให้นักวิจัยทั้งในและต่างประเทศ เพื่อการประยุกต์ใช้ในด้านวิทยาศาสตร์บริสุทธิ์ วิทยาศาสตร์ประยุกต์ ด้านอุตสาหกรรม ด้านการเกษตรและอาหาร ด้านการแพทย์และอื่น ๆ

 

สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

 

ห้องปฏิบัติการแสงสยาม

 

            เนื่องจากความต้องการใช้แสงซินโครตรอนในการวิจัยทั้งจากภาคการศึกษาและภาคอุตสาหกรรมในประเทศไทยเพิ่มขึ้นเป็นลำดับตลอดช่วงเวลากว่า 10 ปีที่ผ่านมา รัฐบาลจึงได้มีมติคณะรัฐมนตรีให้สร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องที่ 2 ซึ่งมีขนาดพลังงานสูงกว่าเดิมคือ 3 GeV เพื่อรองรับการพัฒนาประเทศด้วยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีตามนโยบาย Thailand 4.0

 

เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องที่ 2 ของประเทศไทย

 

---

 

            นักวิจัยสามารถใช้แสงซินโครตรอนในการระบุคุณสมบัติของสิ่งต่าง ๆ ที่สนใจได้หลายอย่าง อาทิ องค์ประกอบธาตุ สถานะทางเคมีของธาตุองค์ประกอบเหล่านั้น โครงสร้างอะตอม โครงสร้างโมเลกุล รูปร่างของโมเลกุล โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ การกระจายตัวของธาตุ และอื่น ๆ ได้

   ด้านการแพทย์

         เราสามารถนำแสงซินโครตรอนไปใช้ในการศึกษาวิจัยด้านการแพทย์ได้ในหลายสาขา ตัวอย่างเช่น นักวิจัยได้นำแสงซินโครตรอนไปใช้หาความสัมพันธ์ระหว่างโรคกระดูกพรุนและโรคเบาหวานได้ เพื่อที่จะทราบว่าผู้ป่วยโรคเบาหวานมีโอกาสเป็นโรคกระดูกพรุนได้มากกว่าปกติหรือไม่ โดยใช้เทคนิคการสร้างภาพ 3 มิติความละเอียดสูง (X-ray microtomography หรือ XMT)

งานวิจัยความสัมพันธ์ระหว่างโรคกระดูกพรุนและโรคเบาหวาน

(Asst. Prof. Sarawut Kumphune, Naraesuan U.)

 

           โรคข้อเข่าเสื่อม เป็นภาวะที่ข้อเข่าถูกใช้งานมาเป็นเวลานานแล้วเสื่อมสภาพจากการเปลี่ยนแปลงภายในเซลล์และเนื้อเยื่อ นักวิจัยสามารถใช้แสงซินโครตรอนวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของกระดูกอ่อนโดยได้วิเคราะห์กระดูกอ่อนผิวข้อและกระดูกใต้ผิวข้อ เพื่อศึกษาพยาธิสภาพของการเกิดโรคข้อเข่าเสื่อม การศึกษาในลักษณะเช่นนี้ช่วยพิสูจน์ทราบกลไกของการเกิดโรคข้อเข่าเสื่อม อันจะนำมาซึ่งวิธีการรักษาใหม่ ๆ โดยการใช้สารเคมีเพิ่มเติมให้ผู้ป่วย เพื่อทดแทนสารที่ขาดพร่องไป   หรือการใช้ยารักษาให้ตรงกับสาเหตุที่เกิดขึ้นได้ด้วย

 

ภาวะข้อเข่าเสื่อม

 

          เรายังสามารถใช้แสงซินโครตรอนในการศึกษาวิจัยเพื่อหาวิธีการรักษาโรคมะเร็งได้ด้วย โดยนักวิจัยใช้แสงซินโครตรอนในย่านแสงอินฟราเรดในการติดตามการเปลี่ยนแปลงเชิงลึกที่เกิดขึ้นภายในเซลล์มะเร็ง โดยเฉพาะการเปลี่ยนแปลงของสารชีวโมเลกุลระดับเซลล์ ภายหลังจากที่เซลล์มะเร็งได้รับสารที่น่าจะมีผลยับยั้งหรือทำลายเซลล์มะเร็งได้ โดยแสงซินโครตรอนให้ผลที่รวดเร็วและแม่นยำยิ่งขึ้น เช่น การศึกษาการเปลี่ยนแปลงทางชีวโมเลกุลในเซลล์มะเร็งเต้านมโดยใช้โปรตีนสกัดจากดักแด้ไหมพันธุ์นางลายและพันธุ์อีรี่ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของความรู้ในการพัฒนาการรักษาโรคมะเร็งเต้านมให้กับผู้ป่วยในประเทศไทย 

 

ดักแด้หนอนไหมนางลาย (ซ้าย) และดักแด้หนอนไหมอีรี่ (ขวา)

 

          แสงซินโครตรอนยังถูกนำมาใช้ในการศึกษาวิจัยสเต็มเซลล์ (เซลล์ต้นกำเนิด) เนื่องจากแสงซินโครตรอนสามารถใช้ตรวจวิเคราะห์ ติดตามระยะการเจริญและการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ต้นกำเนิดที่มีการเปลี่ยนแปลงเป็นเซลล์เป้าหมายได้อย่างรวดเร็ว  อีกทั้งยังช่วยลดค่าใช้จ่ายในของการวิเคราะห์ทางชีวโมเลกุลที่ปกติมีค่าใช้จ่ายสูง ลดขั้นตอนในการตรวจชี้ สามารถนำไปใช้ได้จริงในห้องปฏิบัติการสำหรับการเพาะเลี้ยงและเหนี่ยวนำเซลล์ต้นกำเนิดไปเป็นเซลล์เป้าหมายชนิดอื่น ๆ เช่น การตรวจสอบเซลล์ตับที่เปลี่ยนแปลงมาจากเซลล์ต้นกำเนิดตัวอ่อนของหนู  การตรวจจำแนกเซลล์กระดูกอ่อนจากเซลล์ต้นกำเนิด เป็นต้น

 

 

การรักษาโรคด้วยเซลล์ต้นกำเนิด

 

          เราสามารถใช้แสงซินโครตรอนในงานวิจัยคิดค้นยารักษาโรคต่าง ๆ เช่น การใช้แสงซินโครตรอนในการศึกษาการจัดเรียงโมเลกุลของแป้งเม็ดมะขามสำหรับผสมตัวยารักษาโรค เพื่อหาสภาวะที่เหมาะสมในการเปลี่ยนสภาพเป็นเจลของแป้ง ซึ่งจะมีประโยชน์อย่างยิ่งต่อการนำไปใช้ผสมกับยารักษาโรคเพื่อควบคุมอัตราการปลดปล่อยตัวยาในร่างกายผู้ป่วย การใช้แสงซินโครตรอนในย่านรังเอกซ์พลังงานสูงหาโครงสร้างสามมิติของเอนไซม์ Triosephosphate Isomerase จากเชื้อ Leishmania siamensis ในการศึกษากลไกการทำงานของโปรตีนมุ่งเป้า เพื่อออกแบบสารยับยั้งเชื้อก่อโรค และพัฒนายารักษาโรคต่อไป

 

โครงสร้างสามมิติของเอนไซม์ Triosephosphate Isomerase

 

   ด้านโบราณคดี

          ในปัจจุบันได้มีการนำแสงซินโครตรอนมาใช้ในการวิจัยด้านโบราณคดีอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแถบภูมิภาคยุโรป ทั้งนี้เนื่องจากเทคนิคการทดลองที่ใช้แสงซินโครตรอนสามารถบอกให้รู้ถึงองค์ประกอบและโครงสร้างของวัตถุได้โดยไม่ทำลายหรือมีผลอื่นใดต่อวัตถุที่นำมาศึกษา ทำให้เหมาะที่จะนำแสงซินโครตรอนไปใช้ในการศึกษาวัตถุโบราณหรือวัตถุที่มีคุณค่าสูงอื่น ๆ ได้ ในประเทศไทยนั้น ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาได้มีการนำแสงซินโครตรอนมาใช้ในการศึกษาด้านโบราณคดีเพิ่มมากขึ้นเป็นลำดับ

          งานหุงกระจกและงานประดับกระจกเป็นศาสตร์แขนงหนึ่งของงานช่างสิบหมู่โบราณของประเทศไทย  มีความเจริญรุ่งเรืองนับตั้งแต่สมัยรัชกาลที่ 3 ซึ่งพระองค์ท่านทรงโปรดให้บูรณปฏิสังขรณ์พระอุโบสถวัดพระศรีรัตนศาสดาราม ปรับปรุงฝาผนังด้านนอกจากที่เคยเป็นลายทองรดน้ำพื้นสีแดง เปลี่ยนเป็นลายปั้นปิดทองประดับกระจกดังเช่นที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน กระจกดังกล่าวเป็นที่รู้จักกันในนามว่า “กระจกเกรียบ” เนื่องจากมีลักษณะบางเหมือนข้าวเกรียบ เป็นแก้วเนื้ออ่อนซึ่งสามารถตัดเป็นชิ้นเล็ก ๆ ได้ง่าย สำหรับงานประดับลวดลายอันละเอียดสวยงาม  นอกจากการประดับตกแต่งฝาผนังแล้ว กระจกเกรียบยังได้ถูกนำมาใช้ตกแต่งเครื่องราชภัณฑ์ และศิลปวัตถุโบราณอันมีค่าต่าง ๆ  อย่างไรก็ตามเป็นที่น่าเสียดายยิ่งที่งานหุงกระจกและงานประดับกระจกขาดช่างฝีมือสืบทอดต่อกันมา จนในปัจจุบันไม่พบว่ามีแหล่งผลิตกระจกเกรียบในประเทศไทย ในการบูรณปฏิสังขรณ์จึงจำเป็นต้องใช้กระจกสมัยใหม่ที่นำเข้าจากต่างประเทศ

วัดพระศรีรัตนศาสดาราม

 

ฝาพนังพระอุโบสถและเสาหานวัดพระศรีรัตนศาสดาราม ที่มีการประดับด้วยกระจกเป็นลวดลายสวยงาม

 

           สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน ได้ทำการศึกษาคุณสมบัติของกระจกเกรียบโบราณด้วยแสงซินโครตรอน ตามแนวพระราชดำริของสมเด็จพระกนิษฐาธิราชเจ้า กรมสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี ซึ่งได้ทรงพระราชทานพระราชานุญาตให้คณะวิจัยของสถาบันฯ นำตัวอย่างกระจกเกรียบโบราณจากวัดพระศรีรัตนศาสดาราม มาศึกษาวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีว่ากระจกแต่ละสีประกอบด้วยธาตุชนิดใดบ้างและมีปริมาณเท่าไร โดยใช้แสงซินโครตรอนตรวจสอบด้วยเทคนิคการเรืองแสงในย่านพลังงานรังสีเอกซ์   นอกจากนี้ยังได้ศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับสถานะทางเคมีของธาตุองค์ประกอบเหล่านั้นด้วยเทคนิคการดูดกลืนแสงซินโครตรอนย่านพลังงานรังสีเอกซ์ ซึ่งเป็นองค์ความรู้ที่สำคัญเกี่ยวข้องกับการเกิดสีแต่ละสีในเนื้อแก้วของกระจก จนประสบความสำเร็จสามารถนำความรู้ที่ได้จากการวิจัยมาสังเคราะห์กระจกเกรียบใหม่ที่มีคุณสมบัติเหมือนของเดิมทุกประการ เพื่อใช้สำหรับงานบูรณปฏิสังขรณ์วัดพระศรีรัตนศาสดารามในอนาคต

          นอกจากกระจกเกรียบโบราณจากวัดพระศรีรัตนศาสดารามแล้ว คณะนักวิจัยของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนยังได้ทำการศึกษาองค์ประกอบของกระจกโบราณชนิดอื่น ๆ อีก เช่น กระจกเกรียบโบราณที่ใช้ประดับเครื่องราชภัณฑ์ รวมถึงกระจกจืนที่ใช้ประดับตกแต่งพระอุโบสถสมัยล้านนาในวัดทางภาคเหนือด้วย

 

ตัวอย่างกระจกเกรียบโบราณจากวัดพระศรีรัตนศาสดาราม

 

กระจกเกรียบที่ทำขึ้นใหม่สำหรับการบูรณปฏิสังขรณ์

 

           แหล่งโบราณคดีบ้านเชียงเป็นแหล่งโบราณคดีที่มีความสำคัญมากที่สุดแห่งหนึ่งของประเทศไทย จนได้รับการขึ้นทะเบียนเป็นมรดกโลกทางวัฒนธรรมเมื่อปี พ.ศ. 2535 เนื่องจากพบหลักฐานที่แสดงถึงอารยธรรมชุมชนโบราณซึ่งเป็นชุมชนเกษตรกรรมที่มีการปลูกพืชและเลี้ยงสัตว์ในยุคโลหะที่มีอายุกว่า 3,500 ปี มีหลักฐานที่บ่งบอกถึงการมีวัฒนธรรม ขนบประเพณี และภูมิปัญญาในหลาย ๆ ด้าน ในแหล่งโบราณคดีนี้นักโบราณคดีได้ขุดค้นพบหลุมศพของชาวบ้านเชียงโบราณ ซึ่งมีประเพณีฝังศพที่จะทำการฝังสิ่งของเครื่องใช้เป็นการอุทิศให้กับผู้ตายด้วย ภายในหลุมศพเหล่านี้จึงพบเครื่องมือเครื่องใช้ที่ทำจากสำริดและเหล็ก เช่น ใบหอก ใบขวาน มีด เครื่องประดับลูกปัดที่ทำจากหินและแก้ว เศษผ้า และที่สำคัญคือภาชนะเครื่องปั้นดินเผาโบราณที่มีการเขียนสีเป็นลวดลายสวยงามเป็นเอกลักษณ์ จนเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางในนาม “เครื่องปั้นดินเผาบ้านเชียง”

 

หลุมขุดแหล่งโบราณคดีบ้านเชียง

          เนื่องจากเครื่องปั้นดินเผาบ้านเชียงมีความงดงามและมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว จึงเป็นที่ต้องการของผู้ที่สนใจและนักสะสม ทำให้เกิดการทำเทียมเลียนแบบขึ้นเป็นจำนวนมาก การทำเทียมเหล่านี้ได้มีการพัฒนาเทคนิคจนสามารถทำให้ดูเหมือนของแท้ รวมไปถึงการทำให้ดูเหมือนเก่าด้วย ซึ่งการพิสูจน์ความเป็นของแท้นั้นทำได้ยากและต้องอาศัยผู้เชี่ยวชาญที่มีประสบการณ์อย่างมากเท่านั้น กรมศิลปากร ได้ร่วมกับสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน ศึกษาวิจัยคุณสมบัติของเครื่องปั้นดินเผาบ้านเชียงด้วยแสงซินโครตรอน ทั้งในส่วนของเนื้อดินและสีที่เขียนเป็นลวดลายเพื่อนำไปแยกแยะความแตกต่างระหว่างเครื่องปั้นดินเผาบ้านเชียงของแท้และของที่ทำเลียนแบบขึ้นมา และได้มาซึ่งองค์ความรู้ในการพิสูจน์ความเป็นของแท้ของเครื่องปั้นดินเผาบ้านเชียงโดยใช้เทคนิคการเรืองรังสีเอกซ์ ร่วมกับเทคนิคการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ในการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของเนื้อดินและสี นำไปสู่การพัฒนาวิธีการแยกแยะเครื่องปั้นดินเผาบ้านเชียงของแท้และของทำเทียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

 

ตัวอย่างภาชนะเครื่องปั้นดินเผาบ้านเชียงที่ขุดพบ (ซ้าย) และชิ้นเครื่องปั้นดินเผาบ้านเชียงของแท้และของทำเทียมที่นำมาศึกษา (ขวา)

อัตราส่วนขององค์ประกอบทางเคมีของสีแดงบนเครื่องปั้นดินเผาสามารถแยกแยะเครื่องปั้นดินเผาบ้านเชียงของแท้และของทำเทียมออกจากกันได้อย่างชัดเจน

   ด้านชีววิทยา

           ความสามารถในการสร้างภาพสองมิติและสามมิติด้วยแสงซินโครตรอนนั้นมีประโยชน์อย่างยิ่งในการศึกษาวิจัยทางชีววิทยา เนื่องจากทำให้นักชีววิทยาสามารถทำการศึกษากายวิภาคของสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ทั้งภายในและภายนอกได้โดยไม่จำเป็นต้องทำการผ่าสิ่งมีชีวิตเหล่านั้นเลย โดยเราสามารถทำการศึกษาได้ตั้งแต่สิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก เช่น แมลง หนอน ไปจนถึงสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ เช่น สัตว์เลื้อยคลาน สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม หรือแม้แต่มนุษย์ด้วย

 

หนอนปลอก (ซ้าย) และภาพสามมิติของหนอนปลอกจากเทคนิค XMT

 

ภาพสามมิติของหัวกระโหลกจิ้งจกบ้าน

 

   ด้านอุตสาหกรรมอาหาร

          แสงซินโครตรอนในย่านรังสีอินฟราเรดนั้นสามารถใช้ตรวจสอบปริมาณของโปรตีนในอาหารได้ ซึ่งเป็นประโยชน์กับอุตสาหกรรมอาหารในหลาย ๆ ด้าน เช่น เราสามารถใช้ความสามารถดังกล่าวของแสงซินโครตรอนตรวจสอบอัตลักษณ์ของเนื้อสัตว์แต่ละสายพันธุ์ได้ ซึ่งที่ผ่านมามีการใช้ตรวจสอบอัตลักษณ์เนื้อไก่สายพันธุ์โคราช และความสามารถเดียวกันนี้ยังใช้ในการศึกษาวิจัยหาอุณหภูมิในการปรุงสุกเนื้อสัตว์ที่เหมาะสมเพื่อที่จะให้ปริมาณโปรตีนคงอยู่มากที่สุด

การหาปริมาณโปรตีนในเนื้อสุกรด้วยแสงซินโครตรอนในย่านรังสีอินฟราเรด

 

   ด้านอุตสาหกรรมวัสดุและวัสดุชั้นสูง

            วัสดุชั้นสูง (Advanced materials) เช่น เซรามิคที่สังเคราะห์จากสารประกอบออกไซด์อนินทรีย์ หรือวัสดุที่สามารถเปลี่ยนแรงกดเป็นกระแสไฟฟ้าได้ (Piezoelectric materials) กำลังเป็นที่นิยมมากขึ้นในปัจจุบันเนื่องจากสามารถนำไปประยุกต์ใช้เป็นผลิตภัณฑ์ได้หลากหลายรูปแบบ เนื่องจากคุณลักษณะที่พิเศษของวัสดุเหล่านี้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างอะตอมและสถานะทางเคมีของอะตอมเหล่านั้น เทคนิคการทดลองที่ใช้แสงซินโครตรอน เช่น การวัดการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ จึงมีประโยชน์ต่อการศึกษาคิดค้นวัสดุใหม่ ๆ เหล่านี้เนื่องจากสามารถให้ข้อมูลในระดับอะตอมของวัสดุได้ นอกจากนั้นนักวิทยาศาสตร์ยังสามารถทำการศึกษาวิจัยการเปลี่ยนแปลงในระดับอะตอมในขณะที่วัสดุเหล่านี้อยู่ภายใต้สภาวะแวดล้อมต่าง ๆ เช่น ได้รับแรงกด ได้รับแรงดึง ได้รับกระแสไฟฟ้า หรือมีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ เป็นต้น การศึกษาคิดค้นวัสดุก่อสร้างใหม่ ๆ เช่น ซีเมนต์ เหล็ก โลหะอัลลอย หรือแม้แต่พลาสติก ที่มีคุณสมบัติพิเศษเฉพาะ ก็ได้รับประโยชน์จากการวิเคราะห์ด้วยแสงซินโครตรอนด้วยเช่นกัน

 

---

1. แสงซินโครตรอนคืออะไร? มีความเหมือนและความแตกต่างจากแสงที่นักเรียนเคยรู้จักอย่างไร?
2. เพราะเหตุใดแสงซินโครตรอนจึงมีประโยชน์ต่อการศึกษาวิจัยขั้นสูง?
3. เราสามารถใช้แสงซินโครตรอนในการพัฒนาด้านอุตสาหกรรมได้อย่างไร?
4. นอกจากตัวอย่างการใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนที่ได้กล่าวถึงในบทเรียนแล้ว แสงซินโครตรอนยังมีความเหมาะสมในการศึกษาวิจัยด้านสิ่งแวดล้อมและการปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมอีกด้วย นักเรียนสามารถให้เหตุผลได้หรือไม่ว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น?