วัสดุศาสตร์คืออะไร เรียนเกี่ยวกับอะไร?

วัสดุศาสตร์ (Materials Science) คือ การศึกษาที่เกี่ยวข้องกับวัสดุ เป็นการนำความรู้ทางวิทยาศาสตร์ และวิศวกรรมศาสตร์ มาศึกษาร่วมกันเพื่ออธิบายถึงความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบพื้นฐานของวัสดุ โครงสร้าง คุณสมบัติ และการใช้งานของวัสดุต่าง ๆ ที่มีบทบาทสำคัญในชีวิตประจำวันและอุตสาหกรรมทุกแขนง ตั้งแต่เทคโนโลยีสมาร์ทโฟนไปจนถึงการสร้างอาคารและอุตสาหกรรมพลังงาน วิชานี้มุ่งเน้นไปที่การทำความเข้าใจวัสดุในเชิงลึกเพื่อพัฒนาและปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้งาน วัสดุศาสตร์จึงเป็นหัวใจสำคัญของการสร้างนวัตกรรมและเทคโนโลยีสมัยใหม่

วัสดุศาสตร์เรียนเกี่ยวกับอะไร?

การเรียนวัสดุศาสตร์ครอบคลุมถึงการศึกษาโครงสร้างทางกายภาพและเคมีของวัสดุ รวมถึงกระบวนการผลิตและการใช้งานในสถานการณ์ต่าง ๆ นักศึกษาจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับ

1. โครงสร้างของวัสดุ (Structure)

- การจัดเรียงตัวของอะตอมในวัสดุ เช่น ผลึก (Crystalline) และวัสดุอสัณฐาน (Amorphous)

- วิธีการตรวจสอบโครงสร้าง เช่น การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Electron Microscopy)

2. คุณสมบัติของวัสดุ (Properties)

- คุณสมบัติทางกายภาพ เช่น ความแข็งแรง ความยืดหยุ่น ความเหนียว

- คุณสมบัติทางไฟฟ้า เช่น การนำไฟฟ้าและการเป็นฉนวน

- คุณสมบัติทางความร้อน เช่น การนำความร้อนและการขยายตัวเมื่อร้อน

3. การแปรรูปวัสดุ (Processing)

- เทคนิคการผลิต เช่น การหล่อโลหะ การขึ้นรูปพลาสติก และการเผาเซรามิก

- วิธีการปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุ เช่น การชุบแข็งและการอบร้อน

4. การประยุกต์ใช้งานวัสดุ (Applications)

- การเลือกใช้วัสดุในอุตสาหกรรม เช่น โลหะสำหรับสร้างเครื่องจักร พลาสติกในอุตสาหกรรมยานยนต์ และเซรามิกในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ประเภทของวัสดุศาสตร์

วัสดุศาสตร์แบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลัก โดยแต่ละประเภทมีคุณสมบัติและการใช้งานที่แตกต่างกัน ดังนี้

1. โลหะ  (Metallic materials) 

คือวัสดุที่ได้จากการถลุงสินแร่ต่าง ๆ เช่น เหล็ก ทองแดง อลูมิเนียม นิกเกิล ดีบุก สังกะสี ทองคำ ตะกั่ว มีคุณสมบัติ แข็งแรง เป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดี ทนต่อการเสียรูป แต่มักจะมีเนื้ออ่อนไม่แข็ง เช่น เหล็ก ทองแดง และอลูมิเนียม โดยส่วนมากจะนำไปปรับปรุงคุณสมบัติก่อนการใช้งานในอุตสาหกรรมก่อสร้าง ยานยนต์ และอิเล็กทรอนิกส์ 

2. พลาสติก หรือ พอลิเมอร์ (Polymeric materials) 

คือ สารประกอบที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่และจำนวนมากซึ่งเกิดจากการรวมตัวกันของสารโมเลกุลขนาดเล็กที่เรียกว่า มอนอเมอร์ (Monomer) เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ วัสดุพอลิเมอร์ส่วนมากประกอบด้วยสารอินทรีย์ มีคุณสมบัติ เบา ยืดหยุ่น และเป็นฉนวนไฟฟ้า โดยส่วนมากจะนำไปใช้ในบรรจุภัณฑ์ วัสดุก่อสร้าง และอุตสาหกรรมการแพทย์ เช่น พลาสติกและยาง 

พอลิเมอร์แบ่งออกเป็น 2 ประเภท

- พอลิเมอร์ธรรมชาติ (Natural Polymers) คือ พอลิเมอร์ที่พบได้ในธรรมชาติ ซึ่งเป็นได้ทั้งสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ เช่น แป้ง, ไกลโคเจน, เซลลูโลส 

- พอลิเมอร์สังเคราะห์ (Synthetic Polymers) คือ พอลิเมอร์ที่เกิดจากการสังเคราะห์โดยมนุษย์ เช่น พอลีเอทิลีน, พอลีโพรพิลีน เป็นต้น จัดอยู่ในจำพวกเม็ดพลาสติกที่จะนำไปใช้ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีเพื่อใช้ในการผลิตวัสดุต่าง ๆ เช่น พลาสติกไนลอน ยางสังเคราะห์ และเส้นใยสังเคราะห์ เป็นต้น

3. เซรามิกส์ (Ceramic materials)

เซรามิกมีรากศัพท์มาจากภาษากรีก keramos มีความหมายว่า สิ่งที่ถูกเผา ในอดีตวัสดุเซรามิกที่มีการใช้งานมากที่สุดคือ เซรามิกดั้งเดิม ทำมาจากวัสดุหลักคือดินเหนียว โดยในช่วงแรกเรียกผลิตภัณฑ์ประเภทนี้ว่า ไชนาแวร์ เพื่อเป็นเกียรติให้กับคนจีนซึ่งเป็นผู้บุกเบิกการผลิตเครื่องปั้นดินเผารุ่นแรก ๆ เซรามิกมีคุณสมบัติแข็งแรง ทนความร้อน และทนการกัดกร่อน

ส่วนใหญ่นำมาประยุกต์ใช้ในการผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ประเภทต่าง ๆ เช่น อุปกรณ์ครัว อุตสาหกรรมพลังงาน และชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ชิ้นส่วนยานอวกาศ เป็นต้น

ประโยชน์ของการเรียนวัสดุศาสตร์

1. การพัฒนานวัตกรรม วัสดุศาสตร์เป็นรากฐานของการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ เช่น แบตเตอรี่พลังงานสูง หรือวัสดุที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้

2. การแก้ปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม การศึกษาและพัฒนาวัสดุที่ย่อยสลายได้หรือวัสดุรีไซเคิลช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

3. การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต ความเข้าใจวัสดุช่วยลดต้นทุนการผลิตและเพิ่มคุณภาพของผลิตภัณฑ์

4. โอกาสทางอาชีพ ผู้ที่จบการศึกษาด้านวัสดุศาสตร์สามารถทำงานในหลากหลายสาขา เช่น วิศวกรรมวัสดุ วิจัยและพัฒนา การออกแบบผลิตภัณฑ์ และการจัดการโรงงาน

เทคโนโลยีและอนาคตของวัสดุศาสตร์

วัสดุศาสตร์ยังคงเป็นศาสตร์ที่มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ด้วยการนำเทคโนโลยีขั้นสูง เช่น ปัญญาประดิษฐ์ (AI) และนาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology) มาใช้เพื่อพัฒนาวัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษ เช่น วัสดุที่ทนต่ออุณหภูมิสุดขั้วหรือวัสดุที่เปลี่ยนสีตามสภาพแวดล้อม

วัสดุศาสตร์คือศาสตร์ที่ครอบคลุมถึงการศึกษาและพัฒนาวัสดุเพื่อการใช้งานที่หลากหลาย การเรียนวิชานี้เปิดโอกาสให้นักศึกษาได้เข้าใจธรรมชาติของวัสดุ และนำความรู้นั้นไปใช้พัฒนาเทคโนโลยีและผลิตภัณฑ์ใหม่ ๆ ที่เปลี่ยนแปลงโลกอย่างยั่งยืน หากคุณสนใจในศาสตร์ที่ผสานวิทยาศาสตร์และนวัตกรรมเข้าด้วยกัน วัสดุศาสตร์อาจเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับคุณ