ปีสากลแห่ง “ผลึกศาสตร์” (International Year of Crystallography)

IMG_73481องค์การการศึกษาวิทยาศาสตร์และวัฒนธรรมแห่งสหประชาชาติ (UNESCO) และ สหภาพสากลแห่งผลึกศาสตร์ (International Union of Crystallography: IUCr) ได้ประกาศให้ปี ค.ศ. 2014 เป็นปีสากลแห่งผลึกศาสตร์ (International Year of Crystallography) ซึ่งคนทั่วไปก็อาจจะยังสงสัยว่า “ผลึกศาสตร์” คืออะไร และมีความสำคัญอย่างไร

คำว่า ผลึก ในพจนานุกรมฉบับราชบัณฑิตยสถานให้ความหมายไว้ว่า ชื่อแก้วอย่างหนึ่งมีสีใสขาว เรียกว่า แก้วผลึก, สิ่งมีลักษณะขาวใสดั่งแก้ว เช่น น้ำตาลตกผลึก ผลึกน้ำตาล (วิทยา) ของแข็งที่มีโครงสร้างเป็นรูปทรงเรขาคณิตที่แน่นอนเฉพาะตัว โดยรากศัพท์นั้นมาจากภาษาบาลีว่า ผลิก เมื่อใช้ในภาษาไทยจึงมีการแผลงจาก สระอิ มาเป็น สระอึ กลายเป็น ผลึก (การแผลงสระแบบนี้พบได้อีกมาก เช่น จาริก-จารึก ศิกษา-ศึกษา)

ในทางวิทยาศาสตร์นั้น ผลึก คือของแข็งที่มีการเรียงตัวของอะตอม ไอออน หรือโมเลกุลอย่างเป็นระเบียบ มีรูปทรงเรขาคณิตที่แน่นอนและเป็นวัตถุเนื้อเดียว มีคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกันหรือที่เรียกว่ามีคุณสมบัติแอนไอโซทรอปี (Anisotropy) ผลึกศาสตร์ จึงมีความหมายถึง ศาสตร์ที่ว่าด้วยการเรียงโมเลกุลในรูปผลึกในสภาวะของแข็ง และสมบัติทางเคมีและสมบัติทางกายภาพของผลึก รวมถึงการสังเคราะห์และการสร้างผลึกขึ้นมา

1
© IUCr and Wikimedia Commons.
The crystal structure of graphite (bottom) is very different from that of diamond although both are pure carbon.
โครงสร้างของกราไฟท์ (รูปล่าง) แตกต่างจากโครงสร้างของเพชรอย่างมาก แม้วัตถุทั้งสองมีเพียงธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ
มนุษย์เรารู้จักกับผลึกมานานกว่าสองพันปีแล้วจากสิ่งใกล้ตัวอย่างน้ำตาลหรือเกลือ ในปี ค.ศ. 1611 Johannes Kepler นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้รายงานถึงโครงสร้างที่สมมาตรของเกล็ดหิมะเป็นคนแรก และได้เสนอคำอธิบายโครงสร้างภายในของเกล็ดหิมะ ซึ่งได้รับการศึกษายืนยันเมื่อเวลาผ่านไปกว่า 300 ปี จากนั้นมาจึงได้มีการศึกษาและค้นพบทฤษฎีที่น่าสนใจเกี่ยวกับผลึกอีกมาก อาทิ ในปี ค.ศ. 1669 Nicholas Steno นักธรณีวิทยาชาวเดนมาร์ก ที่นำเสนอทฤษฎีที่ว่า มุมระหว่างหน้าต่างๆ ของผลึกจะเหมือนกันในทุกแบบของผลึกหนึ่งๆ ปี ค.ศ. 1839 William Hallowes Miller ได้นำเสนอทฤษฎีที่ปัจจุบันถูกเรียกว่า ดัชนีมิลเลอร์ (Miller Index) จนในปี ค.ศ. 1895 Wilhelm Conrard Rontgen ได้คันพบรังสีเอกซ์ และต่อมาผู้ช่วยของเขาคือ Max Von Laue พบว่ารังสีเอกซ์ส่องผ่านผลึก และจะเกิดการเลี้ยวเบนในทิศทางที่จำเพาะ ขึ้นกับธรรมชาติของผลึก ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลในปี ค.ศ. 1914

2Image: Wikimedia.
Snowflakes are crystals. Their hexagonal symmetry results from the way in which water molecules are bound to each other.
เกล็ดหิมะเป็นผลึกของน้ำ มีสมมาตรชนิดหกเหลี่ยมซึ่งเป็นผลจากการเรียงตัวของโมเลกุลของน้ำอย่างเป็นระเบียบ ผ่านพันธะไฮโดรเจน

การคันพบที่สำคัญเกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1913 โดยสองพ่อลูกนักวิทยาศาสตร์ Sir William Henry Bragg และ Sir William Lawrence Bragg ที่ใช้รังสีเอกซ์กำหนดตำแหน่งของอะตอมในผลึกของเกลือแกงได้อย่างแม่นยำ และเป็นครั้งแรกที่ความลับของผลึกถูกเปิดเผย แสดงให้เห็นโครงสร้างแบบสามมิติในผลึก ทำให้เข้าใจถึงพันธะไอออนิก ระหว่างอิออนของโซเดียมและคลอไรด์  ตามมาด้วยโครงสร้างผลึกของเพชรที่แสดงให้เห็นถึงการจัดเรียงตัวแบบ tetrahedral ของอะตอมคาร์บอน และความยาวพันธะระหว่างอะตอมของคาร์บอนเท่ากับ 1.52 อังสตรอม ทฤษฎีของนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองท่านนี้เป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาด้านวิทยาศาสตร์อย่างมากในปัจจุบัน โครงสร้างของโมเลกุลมีผลต่อคุณสมบัติทางเคมีและรวมถึงทางชีววิทยา จากการค้นพบครั้งนี้ทำให้ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี ค.ศ. 1915

3
สัญลักษณ์ของปีสากลแห่งผลึกศาสตร์ โดย IUCr

 

 

จากนั้นมาวิชาผลึกศาสตร์ได้รับความสนใจและมีพัฒนาการขึ้นตามลำดับ ผลึกศาสตร์ทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบโครงสร้างที่เกี่ยวเนื่องกับสิ่งมีชีวิตและสุขภาพมากมาย เช่น การค้นพบโครงสร้างผลึกของคอเลสเตอรอล ยาปฏิชีวนะชื่อเพนิซิลลิน วิตามิน บี12 อินซูลิน นอกจากนี้ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาโครงสร้างของสารชีวโมเลกุลที่ซับซ้อนเช่น โปรตีน และดีเอ็นเอ ได้สะดวกมากขึ้น รวมถึงสารชีวโมเลกุลอื่นๆ มากกว่า 9 หมื่นโครงสร้าง จากการศึกษาและวิจัยที่ใช้เทคนิคทางผลึกศาสตร์ทั้งทางตรงและทางอ้อมในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา ส่งผลให้นักวิทยาศาสตร์มากถึง 45 ท่าน ได้รับรางวัลโนเบลในสาขาต่างๆ แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของผลึกศาสตร์ต่อการพัฒนางานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในระดับสากล

ผลึกศาสตร์ ได้รับการพัฒนาและนำมาประยุกต์ในการสร้างสรรค์วัสดุและผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ เช่น หน่วยความจำของเครื่องคอมพิวเตอร์ โทรทัศน์จอแบน ส่วนประกอบของรถยนต์ ศาสตร์นี้จึงเป็นรากฐานสำคัญของอุตสาหกรรมหลายประเภท ทั้งอุตสาหกรรมอาหาร การเกษตร ยานยนต์ เหมืองแร่ เป็นต้น

ด้านเภสัชศาสตร์ก็ยังต้องอาศัยความรู้ทางผลึกศาสตร์ ในการค้นหาตัวยาใหม่ๆ ที่จะฆ่าเชื้อและรักษาโรค มีความจำเป็นต้องค้นหาโมเลกุลขนาดเล็ก ที่จะเข้าไปยับยั้งการทำงานของโปรตีนหรือเอนไซม์ในเชื้อที่ก่อโรค หรืออาการผิดปกติของร่างกาย จึงต้องทราบรูปร่างหน้าตาของโปรตีนเป้าหมายอย่างละเอียด เพื่อออกแบบยาให้สามารถจับเข้าได้พอดีกับบริเวณที่สำคัญต่อการทำงานของโปรตีน เพื่อยับยั้งการทำงานของเชื้อนั้นๆ นอกจากนี้ยังช่วยกำหนดรูปแบบของตัวยา โดยของแข็งที่รูปแบบต่างกันจะมีคุณสมบัติทางกายภาพที่ต่างกัน เช่น การละลาย ซึ่งจะมีผลต่อประสิทธิภาพการออกฤทธิ์ของยา

ความรู้และพัฒนาการของผลึกศาสตร์จะมีส่วนสำคัญที่จะผลักดันงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งแน่นอนว่าจะช่วยให้มีการค้นพบสิ่งใหม่ๆ ที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษยชาติ ไม่ว่าจะเป็นด้านการเกษตร การแพทย์ พลังงาน สิ่งแวดล้อม หลายประเทศทั่วโลกจึงให้ความสำคัญและร่วมกันส่งเสริมให้เกิดการแบ่งปันความรู้ทางวิทยาศาสตร์และการพัฒนาเทคโนโลยีทางด้านผลึกศาสตร์อย่างกว้างขวาง

————————————————————————————————————–

เรียบเรียงจาก
• ธวัชชัย ดุลยสุจริต. (มิ.ย. 2557). “ปีสากลแห่งผลึกศาสตร์” อัพเดท. 29 (319) : 27-33.
• พลังพล คงเสรี และ กฤษฎ์ชัย สมสมาน. (2557). ผลึก ที่น้อยคนจะเข้าใจในความสำคัญ! : 2014 ปีสากลแห่งผลึกศาสตร์. (http://goo.gl/irMBdV)

ศึกษาเพิ่มเติมได้จาก
• International Year of Crystallography. (http://www.iycr2014.org)
• Crystals shape our world by UNESCO (http://goo.gl/HQei5R)
• Timelines of Crystallography. (http://www.iycr2014.org/timeline)

ขอขอบพระคุณ รศ.ดร. พลังพล คงเสรี จากภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ที่ได้กรุณาตรวจสอบและให้ข้อมูลเพิ่มเติม

This entry was posted in คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล, บรรณารักษ์ชวนรู้ and tagged , , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s