แปลและเรียบเรียงโดย
อรวรรณ สัมฤทธิ์เดชขจร
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

นักวิจัยจาก Penn State พบว่าการเติมซีเรียมออกไซด์ในแก้วฟอสเฟตแทนการเติมในแก้วซิลิเกตจะทำให้ได้แก้วที่มีสมบัติกันแสงยูวี และทนต่อรังสี โดยที่แก้วยังคงไม่เปลี่ยนสี ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์เชิงพาณิชย์ได้หลายอย่าง อาทิ กระจกหน้าต่าง แว่นตากันแดด และเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นต้น 

การเติมซีเรียมออกไซด์ในแก้วซิลิเกตเพื่อปรับปรุงสมบัติที่เป็นประโยชน์ทำกันมานานหลายปีแล้ว โดยซีเรียมที่ละลายในแก้วจะอยู่ในรูปของ Ce (III) และ Ce(IV) ซึ่งสามารถที่จะเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์กับโพลิวาเลนต์แคตไอออน (polyvalent cation) อื่นๆ และทำให้สีจางหายไป (decolorization) เช่น ซีริกไอออน (Ce(IV)) จะออกซิไดซ์เฟอร์รัสไอออน (Fe(II)) ซึ่งเป็นสารมลทินและทำให้เกิดสีน้ำเงิน-เขียวในแก้วซิลิเกต

นอกจากนี้ ซีเรียมแคตไอออนยังดูดกลืนแสงในช่วงยูวี จึงมีการเติมซีเรียมออกไซด์เป็นส่วนผสมในแก้วที่ใช้ทำแว่นเพื่อปกป้องดวงตา หรือการใช้งานแบบอื่นๆ ที่ต้องการสมบัติกันแสงยูวี แต่ปัญหาที่พบคือ การละลายของซีเรียมในแก้วซิลิเกตค่อนข้างจำกัด อีกทั้งหากมีปริมาณของซีเรียมละลายอยู่สูง แก้วซิลิเกตก็จะเริ่มเปลี่ยนเป็นสีเหลือง ซึ่งเป็นลักษณะที่ไม่พึงปรารถนาสำหรับการนำไปใช้ทำกระจกหน้าต่างและแว่นตากันแดด

ดังนั้น เจน ไรเจล (Jen Rygel) นักศึกษาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม และคาร์โล แพนตาโน (Carlo Pantano) ศาสตราจารย์ดีเด่นทางด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม (distinguished Professor of Materials Science and Engineering) และผู้อำนวยการสถาบันวิจัยวัสดุแห่ง Penn State (Director of Penn State’s Materials Research Institute) ได้สังเคราะห์และเปรียบเทียบแก้ว 11 ชนิด ที่มีปริมาณของซีเรียม อะลูมิเนียม ฟอสฟอรัส และซิลิกาที่แตกต่างกัน

วิธีการสังเคราะห์แก้วนี้เรียกว่า “การหลอมในครูซิเบิลแบบเปิด (open-crucible melting)” โดยนำวัตถุดิบซึ่งประกอบด้วยฟอสฟอรัสเพนทอกไซด์ (phosphorus pentoxide) อะลูมินัมฟอสเฟต (aluminum phosphate) ซีเรียมฟอสเฟต (cerium phosphate) และซิลิคอนไดออกไซด์ (silicon dioxide) ผสมรวมกันในครูซิเบิล และนำเข้าเตาเพื่อหลอมที่อุณหภูมิ 3,000 องศาฟาเรนไฮต์ หลังจากที่ส่วนผสมหลอมหมดแล้วจึงนำออกจากเตา เทลงในแม่พิมพ์แกรไฟต์ และทิ้งให้แก้วเย็นตัวอย่างช้าๆ เพื่อป้องกันการเกิดความเค้นจากความร้อน (thermal stress) แก้วจึงไม่แตก

พวกเขาพบว่า แก้วฟอสเฟตมีโครงสร้างที่ยืดหยุ่นกว่าแก้วซิลิเกตมาก ทำให้ซีเรียมละลายในแก้วฟอสเฟตได้สูงกว่าแก้วซิลิเกตถึง 16 เท่า โดยที่ยังคงสี และสมบัติในการดูดกลืนแสงยูวีเช่นเดิม สาเหตุที่สีไม่เปลี่ยนแปลงนั้น อาจเป็นเพราะช่วงการดูดกลืนแสงของ Ce (III) และ Ce(IV) ในแก้วฟอสเฟตจะเลื่อนไปจึงดูดกลืนแสงสีฟ้าน้อยลง นอกจากนี้ แก้วที่มีปริมาณซีเรียมสูงยังทนทานต่อรังสีเอกซ์และแกมมาได้ดีขึ้นอีกด้วย

กลไกในการกันรังสีของซีเรียมที่มีการเสนอมานั้น จะขึ้นอยู่กับชนิดของซีเรียมและอัตราส่วนระหว่าง Ce(III) และ Ce(IV)ภายในแก้ว ไรเจลจึงใช้เทคนิคเอกซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี (X-ray photoelectron spectroscopy) ในการวิเคราะห์อัตราส่วนของ Ce (III) และ Ce(IV) ซึ่งพบว่าแก้วที่ศึกษาทั้งหมดมี Ce(III) ถึงร้อยละ 95

ตัวอย่างที่มีการนำแก้วชนิดนี้ไปใช้คือ เซลล์แสงอาทิตย์ ช่วงความยาวคลื่นที่เซลล์แสงอาทิตย์ใช้นั้นไม่ใช่แสงยูวี แต่หากมีแสงยูวีตกกระทบ มันจะทำลายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเซลล์แสงอาทิตย์ ดังนั้นหากแก้วที่ใช้ทำเซลล์มีซีเรียมอยู่ ก็จะช่วยป้องกันโฟโตวอลเทอิกเซลล์ไม่ให้เกิดความเสียหายจากแสงยูวีได้ ซึ่งเป็นการยืดอายุการใช้งาน

งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (National Science Foundation) และห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพอากาศสหรัฐอเมริกา (U.S. Air Force Research Laboratory) และได้รับการตีพิมพ์ใน Journal of Non-Crystalline Solids ฉบับที่ 355 (2009) หน้า 2622-2629.

แหล่งข่าวและรูปภาพ
• http://www.sciencedaily.com/releases/2009/12/091215112045.htm
• Journal of Non-Crystalline Solids ฉบับที่ 355 (2009) หน้า 2622-2629
• http://www.digitaljournal.com/article/283960
• http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/56/B%26W_girl_portrait_with_sunglasses.jpg/554px-B%26W_girl_portrait_with_sunglasses.jpg