ภาพแสงซินโครตรอน โดย ดร.ประพงษ์ คล้ายสุบรรณ์

         แสงที่มนุษย์พบเจอบนโลกนี้มีอยู่มากมาย ไม่ว่าจะเป็น แสงจากดวงอาทิตย์ในเวลากลางวัน แสงจากดวงดาวในยามค่ำคืน แสงจากหลอดไฟต่างๆ หรือแม้กระทั่งแสงที่เกิดจากการส่งสัญญาณของสัตว์อย่าง เช่น หิ่งห้อย เป็นต้น แสงเหล่านี้มีทั้งเกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติ และมนุษย์สร้างขึ้น ท่านทราบหรือไม่ ??? ยังมีแสงอีกประเภทหนึ่ง ที่มีคุณสมบัติที่พิเศษ แตกต่างไปจากแสงประเภทอื่นๆ ที่กล่าวมา แสงนี้มีความสว่างกว่าแสงในเวลากลางวันกว่าล้านเท่า ขนาดของลำแสงเล็กได้ถึงในระดับไมโครเมตร (1 ใน 1000000 ของเมตร) อีกทั้งแสงนี้ยังครอบคลุม 4 ช่วงความยาวคลื่น ตั้งแต่ แสงอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น แสงอัลตราไวโอเลต และรังสีเอกซ์ แสงนี้ นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า “แสงซินโครตรอน”

          ในประเทศไทยมีสถาบันแห่งหนึ่งที่สามารถผลิตแสงซินโครตรอน สำหรับใช้ในการวิเคราะห์ วิจัย การปรับปรุงและพัฒนาผลิตภัณฑ์เพื่อเพิ่มมูลค่าให้แก่ภาคอุตสาหกรรม นั่นคือ “สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)” ซึ่งตั้งอยู่ ณ บริเวณมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จ.นครราชสีมา แห่งเดียวในประเทศไทย และใหญ่ที่สุดในภูมิภาคอาเซียน เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนนับเป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ ทีความซับซ้อนทางเทคโนโลยีวิศวกรรม ที่นับเป็นโครงสร้างพื้นฐานอันสำคัญต่อการพัฒนาประเทศทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ที่ต้องการตอบโจทย์ลึกซึ้งทางวัสดุถึงระดับอะตอมและโมเลกุล มีการประยุกต์หลากหลาย ทั้งทางเกษตร การแพทย์ เภสัชกรรม อุตสาหกรรม

อาคารสิรินธรวิชโชทัย สถานที่ตั้งของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน จ.นครราชสีมา

         สถาบันวิจัยแสงซินโครตอน เป็นองค์การมหาชน ภายใต้กำกับของกระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม มีพันธกิจ เพื่อการวิจัยเกี่ยวกับแสงซินโครตรอน การให้บริการแสงซินโครตรอนและเทคโนโลยีด้านแสงซินโครตรอน อีกทั้งการส่งเสริมการถ่ายทอดและการเรียนรู้เทคโนโลยีด้านแสงซินโครตรอน สถาบันได้ปฏิบัติพันธกิจทั้งหมดนี้สนองตามแนวพระราชดำริของสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารีโดยสรุปดังนี้ เพิ่มมูลค่าเศรษฐกิจ พัฒนาคุณภาพชีวิตของประชาชน ให้ทัดเทียมสากลนานาอารยะประเทศ
         นอกจากนี้ สถาบันยังมุ่งมั่นทำงานเพื่อให้สอดคล้องกับนโยบายการพัฒนาประเทศของรัฐบาล นั่นคือการสร้างงานวิจัยที่เกื้อกูลต่ออุตสาหกรรมเพื่อช่วยในการขับเคลื่อนเศรษฐกิจของประเทศ

         แสงจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนมีประโยชน์อย่างกว้างขวาง เพื่อการวิเคราะห์วิจัยเชิงลึกทางวิทยาศาสตร์ของวัตถุต่างๆ ในระดับอะตอมและโมเลกุล วัตถุที่นำมาทดสอบสามารถมีสถานะ ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ แม้กระทั่งพลาสมา เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนจึงถือเป็นโครงสร้างพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่สำคัญยิ่ง ต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมและเศรษฐกิจของชาติ และเป็นดัชนีชี้วัดถถึงความเจริญทางวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีของประเทศ
         สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ดูแลบำรุงรักษา และใช้ประโยชน์เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ทั้งเพื่อการวิจัยเชิงวิชาการและการวิจัยที่ตอบโจทย์อุตสาหกรรมจาก Real-sector ผู้สนใจเข้าใช้ประโยชน์สามารถติดต่อได้ทาง www.slri.or.th อีเมล์ : This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

---

         แสง ซินโครตรอนที่ผลิตขึ้น ณ ห้องปฏิบัติการแสงสยามมีความสว่างกว่าแสงในเวลากลางวันกว่าล้านเท่า คมชัด ความเข้มสูง อำนาจการทะลุทะลวงสูง และมีขนาดของลำแสงเล็กมากเทียบเท่ากับระดับความหนาของเส้นผม ทำให้สามารถศึกษาถึงโครงสร้างระดับอะตอมของธาตุชนิดต่างๆได้ นอกจากนี้ยังครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นต่อเนื่อง ตั้งแต่ รังสีอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น รังสีอัลตราไวโอเลต และรังสีเอกซ์ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเลือกใช้ช่วงความยาวคลื่นหรือพลังงานที่เหมาะสม เพื่อนำมาใช้ศึกษาในงานวิจัยด้านต่างๆตามที่ต้องการได้

---

ขั้นตอนที่หนึ่ง คือ การผลิตอิเล็กตรอน โดยการปล่อยกระแสไฟฟ้าให้กับไส้โลหะของปืนอิเล็กตรอนจนร้อน จนทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา จากนั้นจึงใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าแรงสูงขั้วบวกในการดึงอิเล็กตรอนให้วิ่งไป ในทิศทางเดียวกัน

ขั้นตอนที่สอง เป็นการเร่งความเร็วอิเล็กตรอนในแนวเส้นตรง ด้วยเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง หรือ linac เพื่อเร่งอิเล็กตรอนมีความเร็วสูงในระดับที่ต้องการ (40 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์) จากนั้นป้อนอิเล็กตรอนนี้เข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลมหรือเครื่องซินโค รตรอน

ขั้นตอนที่สาม อิเล็กตรอนภายในเครื่องซินโครตรอนจะถูกบังคับให้วิ่งเป็นวงกลมและ มีความเร็วเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งมีความเร็วสูงเกือบเท่าความเร็วแสง (1, 000 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์ หรือ 1 GeV) หลังจากนั้นอิเล็กตรอนจะส่งเข้าสู่วงกักเก็บอิเล็กตรอนเป็นขั้นตอนสุดท้าย

ขั้นตอนที่สี่ วงกักเก็บอิเล็กตรอนทำ หน้าที่เพิ่มพลังงานเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงถึง 1,200 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์ (1.2 GeV) เพื่อการผลิตแสงซินโครตรอน ด้วยการใช้สนามแม่เหล็กบีบบังคับให้อิเล็กตรอนเลี้ยวเบนและปลดปล่อยแสงหรือ โฟตอนออกมาขณะเลี้ยวเบน และกักเก็บอิเล็กตรอนที่ผลิตขึ้น เพื่อนำแสงซินโครตรอนมาใช้ประโยชน์และให้บริการแก่นักวิทยาศาสตร์ในงานวิจัย ด้านต่างๆ ต่อไป

---

         แสงซินโครตรอนสามารถใช้ในงานวิจัยขั้นพื้นฐานในการหาคุณสมบัติของอะตอม โมเลกุล และความยาวพันธะระหว่างอะตอมภายในโมเลกุลของสสาร การศึกษาการเปลี่ยนแปลงของวัสดุเมื่ออยู่ในสภาวะความดันและอุณหภูมิสูง การศึกษาคุณสมบัติบางประการของ
แม่เหล็ก และการศึกษาการจัดเรียงตัวของอะตอมบริเวณพื้นผิวและมลพิษที่ตกค้างในสิ่งแวด ล้อมได้ดี เนื่องจากสามารถตรวจวัดสารที่มีปริมาณน้อยมาก (Trace Elements) ได้อย่างแม่นยำ

         แสงซินโครตรอนเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการศึกษาโครงสร้างของสารชีวโมเลกุล ที่มีขนาดเล็กและมีโครงสร้างที่ซับซ้อน ซึ่งพบในเซลล์สิ่งมีชีวิต เช่น โปรตีน กรดนิวคลีอิก เป็นต้น ตัวอย่าง เช่น การศึกษาโครงสร้างสามมิติของโปรตีนด้วยเทคนิค Protein Crystallography
ซึ่ง ผลที่ได้สามารถประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมการออกแบบตัวยารักษาโรคได้ หรือการใช้เทคนิค Infrared microspectroscopy เพื่อตรวจจำแนกเซลล์ต้นกำเนิด (Stem Cell) เป็นต้น

         การศึกษาวิจัยเพื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ หรือการปรับปรุงผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่เดิมนั้นจำเป็นต้องมีการศึกษาในเชิงลึก โดยนำความรู้ใหม่ๆ ที่ได้มาใช้ในการเพิ่มมูลค่าในเชิงอุตสาหกรรม เนื่องจากพลังงานของแสงซินโครตรอนนั้นครอบคลุมความถี่ตั้งแต่ย่านรังสี อินฟราเรด จนถึงรังสีเอกซ์ จึงครอบคลุมการศึกษาตั้งแต่ขนาดนาโนเมตรจนถึงไมโครเมตร ซึ่งเป็นขนาดของวัสดุในระดับจุลภาคที่ได้รับการศึกษาวิจัยเป็นอย่างมากโดย เฉพาะในการพัฒนาอุตสาหกรรมชั้นสูง

 

---

ด้วยคุณสมบัติที่มากมาย แสงซินโครตรอนจึงนำมาใช้ในงานวิจัยได้หลากหลายด้าน อีกทั้งยังสามารถช่วยเพิ่มมูลค่าผลิตภัณฑ์ มูลค่าเศรษฐกิจ ให้กับประเทศไทยได้อีกด้วย อาทิ

บริษัท CPF ถือเป็นบริษัทอันดับต้นๆ ของประเทศที่ผลิตอาหารแช่แข็งเพื่อส่งออกและสร้างมูลค่าให้แก่ประเทศอย่าง มาก ในปี พ.ศ. 2557 บริษัท CPF ได้นำโจทย์วิจัยเพื่อการปรับปรุงและพัฒนาผลิตภัณฑ์กุ้งแช่แข็งส่งออก เข้ามาปรึกษากับทางสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน โดยบริษัทพบว่า เกิดมีจุดสีขาวเล็กๆ บนผิวเปลือกกุ้งแช่แข็งด้านในเปลือก ในสินค้าที่เก็บในอุณหภูมิติดลบไประยะหนึ่ง   โดยในช่วงเวลานั้น ทาง CPF ได้ทำการศึกษาและวิจัยในด้านต่างๆที่เกี่ยวข้องมาบางส่วนแล้วแต่ยังไม่ สามารถตอบโจทย์ได้ทั้งหมด สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนจึงได้มีส่วนเข้าไปช่วยหาคำตอบอีกครั้ง โดยพบว่าจุดขาวที่เกิดขึ้น เป็นการสะสมของแร่ธาตุแคลเซียมที่เปลือกซึ่งเกิดจากกุ้งถูกแช่แข็งใน อุณหภูมิติดลบเป็นเวลานาน จนกระทั่งเกิดการสูญเสียน้ำจากเปลือกจนเห็นผลึกแคลเซียมชัดเจนขึ้นหรือเกิด เป็นจุดขาวบนเปลือกกุ้งนั้นเอง จากโจทย์วิจัยดังกล่าวนี้ สามารถสร้างมูลค่าเพิ่มทางเศรษฐกิจให้แก่ บริษัท CPF ได้ถึง 1,300 ล้านบาท

---

 

บริษัท SSI เป็นผู้ผลิตเหล็กแผ่นรีดร้อนชนิดม้วนรายแรกของประเทศไทยและเป็นผู้ผลิตเหล็กแผ่นครบวงจรรายใหญ่ที่สุดในภูมิภาคอาเซียน ในขั้นตอนการผลิตนั้นบริษัทพบว่าเหล็กม้วนประมาณ 30% เกิดลายที่มีลักษณะคล้ายลายไม้ขึ้น ในเบื้องต้นทางทีมวิจัยของบริษัทได้พยายามแก้ปัญหาหลากหลายแนวทาง แต่ไม่สามารถแก้ปัญหาลายที่เกิดขึ้นได้ ทีมวิจัยของบริษัท SSI จึงได้นำปัญหานี้มาปรึกษากับทีมวิจัยของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน และร่วมกันแก้ปัญหา โดยวิธีการใช้รังสีเอกซ์ของแสงซินโครตรอนวิเคราะห์สาเหตุที่เกิดขึ้น และพบว่า ลายไม้นั้นเกิดจากสารเคมีที่อยู่ในกระบวนการผลิต ที่ตกค้างอยู่ที่ผิวของลูกรีด นำไปสู่การร่วมกันแก้ปัญหาล้างสารเคมีตกค้าง และแก้ปัญหาลายไม้บนแผ่นแหล็กรีดร้อนได้ในที่สุด จากการประสบความสำเร็จครั้งนี้ ทำให้ทางบริษัท SSIและทางสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนทำงานวิจัยร่วมกันมาอย่างต่อเนื่อง ล่าสุดทางสถาบันได้วิเคราะห์หาสาเหตุของเหล็กที่มีผิวสีดำคล้ำและหาวิธีการ แก้ปัญหาให้กลับไปเป็นสีเหล็กธรรมชาติได้ อีกด้วย  

---

บริษัท SCG Chemicals เป็นบริษัทที่มีความก้าวหน้าทางการวิจัยเป็นอย่างมาก ล่าสุดทางบริษัทได้พัฒนาปรับปรุงคุณภาพเม็ดพลาสติกสำหรับการนำไปขึ้นรูปเป็น ผลิตภัณฑ์พลาสติกต่างๆ ตามความต้องการของลูกค้า โดยเม็ดพลาสติกที่พัฒนาขึ้นนั้น ทางบริษัทต้องการผลการวิเคราะห์โครงสร้างในระดับโมเลกุล เพื่อยืนยันผลในการปรับปรุงคุณภาพเม็ดพลาสติกในแต่ละสูตร นำไปสู่การตีพิมพ์บทความในนิตยสารนานาชาติ ซึ่งเปรียบเสมือนเป็นใบรับรองคุณภาพของเม็ดพลาสติกนั้นๆ อีกทางหนึ่ง

---

มันสำปะหลัง ถือเป็นพืชเศรษฐกิจของประเทศไทย ในขั้นตอนของการแปรรูปมันสำปะหลัง สุดท้ายจะเหลือกากมันที่ถือได้ว่าเป็นของทิ้งหรือใช้ผสมเป็นอาหารสัตว์ ปัจจุบันมีบริษัทแปรรูปมันสำปะหลัง ได้ศึกษาหาวิธีนำของเหลือทิ้งอย่างกากมันสำปะหลังกลับไปเป็นวัตถุดิบชนิด ต่างๆ เพื่อเพิ่มมูลค่า อาทิ แปรรูปกากมันเป็นแป้งดัดแปรสำหรับใช้ผสมในอาหารเสริมสำหรับผู้ป่วย อีกหนึ่งบริษัทได้แปรรูปกากมันเป็นไฟเบอร์ละลายน้ำ สำหรับนำไปใช้ในอาหารควบคุมน้ำหนัก นอกจากนี้ยังมีอีกหนึ่งงานวิจัยที่ทำการแปรรูปกากมันสำปะหลังสำหรับใช้เป็น สารเคลือบยาปฏิชีวนะ ที่ควบคุมอัตราการปลดปล่อยตัวยาในร่างกาย ให้ออกฤทธิ์ตามเวลาที่กำหนด

---

          ปัญหาอาชญากรรมที่เกิดขึ้นในปัจจุบันมีมากมาย และการที่จะสืบหาผู้กระทำผิดที่แท้จริงมาลงโทษตามกระบวนการยุติธรรมนั้นเป็น เรื่องที่สำคัญยิ่ง โดยเฉพาะจะต้องมีการรวบรวมพยานหลักฐานมายืนยันให้สามารถพิสูจน์ความผิดได้ อย่างชัดเจน ดังนั้นในประเทศที่พัฒนาแล้ว อาทิ ประเทศญี่ปุ่น ยุโรปและสหรัฐอเมริกา จึงมีการนำเอาความรู้ทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มาใช้ในการตรวจพิสูจน์หลักฐานต่างๆ ให้ได้ผลที่ถูกต้องแท้จริงตามหลักวิทยาศาสตร์
         เมื่อปี พ.ศ.2541 เกิดเหตุสะเทือนขวัญที่จังหวัดวาคายามะ ทางตะวันตกของประเทศญี่ปุ่น นางมาซูมิ ฮายาชิ แม่บ้านวัย 47 ปี โกรธแค้นที่เพื่อนบ้านรังเกียจ จึงลอบใส่สารพิษลงไปในแกงกะหรี่และนำไปแจกจ่ายงานเทศกาลอาหารพื้นเมือง ทำให้มีผู้เสียชีวิต 4 ราย และล้มป่วยกว่า 60 ราย ภายหลังเหตุการณ์นี้นางฮายาชิถูกจับกุมตัวแต่ปฏิเสธทุกข้อกล่าวหา จากบันทึกการสอบสวนของตำรวจ ไม่พบลายนิ้วมือของผู้ต้องหา อีกทั้งพยานก็ไม่ชัดเจน มีแต่ภาชนะที่ใช้ในการทำอาหาร แต่จากการตรวจหลักฐานด้วยวิธีการทั่วไปในห้องปฏิบัติการ กลับไม่พบสาร Arsenic หรือจุดเชื่อมโยงใดๆ เนื่องจากสามีของนางฮายาชิมีอาชีพเป็นช่างกำจัดปลวก นางฮายาชิได้ช่วยเหลือสามีในการล้างทำความสะอาดแปรงและอุปกรณ์ต่างๆ ทำให้เธอรู้วิธีกี่ล้างสาร Arsenic ออกจากอุปกรณ์ และเธอใช้วิธีนี้ในการล้างภาชนะที่เธอใช้ทำอาหารด้วยเช่นกัน จนกระทั้งมีนักวิทยาศาสตร์ที่มีความเชี่ยวชาญด้านแสงซินโครตรอนและโลหะ ที่ทราบว่าสาร Arsenic เมื่อสัมผัสกับโลหะจะมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในระดับโมเลกุล ซึ่งทำให้ไม่สามารถตรวจหาโดยวีธีทั่วไปได้ นักวิทยาศาสตร์กลุ่มนี้จีงได้ติดต่อขอวัตถุพยานต่างๆ นำไปวิเคราะห์ด้วยแสงซินโครตรอน และพบว่าอุปกรณ์การทำอาหารทุกอย่างของนางฮายาชิต่างปนเปื้อนสาร Arsenic ทั้งสิ้น ผลคือนางฮายาชิ ถูกตัดสินประหารชีวิต  

---

         ฟ้าแลบเป็นม้าแข่งฝีเท้าดีที่สุดในโลกตัวหนึ่งมีอายุอยู่ในช่วง ค.ศ.1926 – 1932  ที่ถือได้ว่าเป็นขวัญใจของชาวออสเตรเลียและชาวนิวซีแลนด์ ลงแข่งเมื่อไร ชนะทุกครั้ง สมัยนั้น ใครๆจึงอยากล้มม้าฟ้าแลบตัวนี้ แต่ทั้งเจ้าของฟ้าแลบ รวมไปถึงจ๊อกกี้ ต่างไม่ยอมให้ล้มม้า (การติดสินบนในการแข่งขัน เพื่อให้แพ้) เด็ดขาด ฟ้าแลบจึงเป็นเป้าหมายของกลุ่มนักพนันเป็นอย่างมาก เคยถูกลอบฆ่าด้วยปืนไรเฟิลถึง 2 ครั้ง แต่สามารถรอดมาได้ จนครั้งสุดท้าย ฟ้าแลบล้ม (ตาย) ในคอกของตัวเอง ด้วยอาการน้ำลายฟูมปาก จากการพิสูจน์ซากโดยสัตวแพทย์พบว่าอวัยวะภายในของฟ้าแลบ บวม พอง และหยุดทำงาน แต่ไม่สามารถสรุปได้ว่าตายเพราะเหตุใดอย่างแน่ชัด ระยะเวลาผ่านไปซากม้าฟ้าแลบ โครงกระดูก และหัวใจ ถูกสต๊าฟและกระจายอยู่ตามพิพิธภัณฑ์ ต่างๆ ในประเทศออสเตรเลียและนิวซีแลนด์ จนกระทั่งเมื่อปี ค.ศ.2000 มีนักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งได้ให้ข้อสรุปการตายของฟ้าแลบว่า เกิดจากการติดเชื้อแบคทีเรียเข้ากระแสเลือดอย่างรุนแรง แต่แล้ว เมื่อปี ค.ศ.2006 นักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรเลียได้ใช้แสงซินโครตรอนในย่างรังสีเอกซ์ ตรวจหาสาเหตุการตายของฟ้าแลบอีกครั้ง โดยวิเคราะห์จากขนแผงคอขอม้าทั้งหมด 6 เส้น  พบสาร Arsenic จึงสามารถสรุปได้ว่าม้าถูกวางยาหรือวาง Arsenic อย่างแน่นอน นอกจากนี้ยังสามารถพิสูจน์ได้ว่า กระบวนการสต๊าฟม้าที่ต่างก็มีการใช้สาร Arsenic ด้วยนั้น สาร Arsenic ที่อยู่ตามเส้นขนของม้าจะมีรูปแบบของโมเลกุลที่แตกต่างไปจากสาร Arsenic ที่อยู่ในกระแสเลือดอย่างสิ้นเชิง การที่ม้าถูกวางยาด้วยสาร Arsenic เนื่องจากในยุคนั้นเป็นยุคที่มีการทำเหมืองแร่อยู่มาก จึงไม่ยากนักกับการหาซื้อ สาร Arsenic ที่จะมีขายอยู่ทั่วไปตามร้านขายยาและสารเคมี (หรือร้าน Chemist ในอดีต)