เจาะความลับสีสันบนท้องฟ้าจากพลุในคืนข้ามปี ความสวยเหล่านี้มาจากอะไร?

เจาะลึกความลับสีสันบนท้องฟ้าจากพลุในคืนข้ามปี สวยขนาดนี้มาจากอะไร? วิทยาศาสตร์ฉบับรับปีใหม่ ทำไมสีถึงสวยกระแทกตาขนาดนี้

ดอกไม้ไฟหรือที่เรียกกันทั่วไปว่า พลุ เป็นอีกหนึ่งสีสันในคืนส่งท้ายปีเก่าต้อนรับปีใหม่ รวมถึงในเทศกาลและกิจกรรมสำคัญๆ ซึ่งความตระการตาของพลุที่ปรากฏบนท้องฟ้า เป็นความสำเร็จของการออกแบบทางวิศวกรรมเคมีและฟิสิกส์ในระดับอะตอมที่แม่นยำอย่าง ศาสตร์แห่งไพโรเทคนิค (Pyrotechnics) ซึ่งเป็นศาสตร์ที่ว่าด้วยการสร้างและใช้สารเคมีที่สามารถผลิตความร้อน แสง เสียง ก๊าซ หรือควัน เพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ ทั้งทางทหาร เช่น พลุส่องสว่าง, สัญญาณ และการแสดงอย่างดอกไม้ไฟ ที่มีประวัติศาสตร์อันยาวนานกว่าหนึ่งพันปี นับจากการประดิษฐ์ดินปืนในยุคจีนโบราณ จนกระทั่งวิวัฒนาการสู่การใช้เกลือของโลหะ (Metal Salts) ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 19

จุดเริ่มต้นกำเนิดดอกไม้ไฟทุกชนิด เริ่มต้นจาก ดินปืนสีดำ (Black Powder) ซึ่งเป็นส่วนผสมระหว่างโพแทสเซียมไนเตรต (ดินประสิว) , ถ่านไม้ และกำมะถัน ในอัตราส่วนน้ำหนัก 75:15:10 ซึ่งอัตราส่วนนี้ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงมาตั้งแต่ประมาณปี 1781 ดินปืนทำหน้าที่สองประการหลัก คือเป็นสารขับดัน (Propellant) เพื่อส่งลูกพลุขึ้นสู่ท้องฟ้า และเป็นเชื้อเพลิงในการระเบิดครั้งที่สองเพื่อกระจายเม็ดดาว (Stars) ออกมาในรูปของแสงและสีต่างๆ เมื่อถึงระดับความสูงที่กำหนด

นอกจากดินปืนแล้ว ดอกไม้ไฟหรือพลุยังมีสารยึดเกาะ ซึ่งใช้ในการยึดส่วนประกอบต่างๆ เข้าด้วยกัน และยังช่วยลดความไวต่อแรงกระแทกและการสั่นสะเทือน โดยทั่วไปแล้วสารยึดเกาะเหล่านี้จะอยู่ในรูปของสารประกอบอินทรีย์ มักจะเป็นเดกซ์ทริน (Dextrin) ที่ทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิงหลังจากจุดติดไฟ เมื่อเกิดการเผาไหม้จะช่วยสร้างความร้อนและส่งเสริมการจุดระเบิด ทำให้เกิดประกายไฟสวยงาม นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องมีสารออกซิไดซ์เพื่อผลิตออกซิเจนที่จำเป็นต่อการเผาไหม้ของส่วนผสม ซึ่งโดยปกติจะเป็นไนเตรต คลอเรต หรือเปอร์คลอเรต

ดอกไม้ไฟสร้างแสงผ่านสองกระบวนการหลักที่มีพื้นฐานทางฟิสิกส์ต่างกันคือ การแผ่รังสีเนื่องจากความร้อน (Incandescence) และการเรืองแสง (Luminescence) ส่วนสีสันของพลุนั้น มีคำอธิบายที่ชัดเจนทางวิทยาศาสตร์ เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาทางเคมีของโลหะและสารประกอบโลหะชนิดต่างๆ เมื่อได้รับความร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกลือโลหะ ที่ในทางเคมีหมายถึงสารประกอบใดๆ ก็ตามที่ประกอบด้วยอะตอมของโลหะและอโลหะที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไอออนิก โลหะต่างชนิดกันจะมีช่องว่างพลังงานระหว่างสถานะพื้นฐานและสถานะที่ถูกกระตุ้นแตกต่างกัน ทำให้เกิดการปล่อยสีที่แตกต่างกัน

สีสันของดอกไม้ไฟที่เราเห็นบนท้องฟ้าคือการบูรณาการที่สมบูรณ์แบบระหว่างเคมีอนินทรีย์ (Inorganic Chemistry) และฟิสิกส์เชิงแสง (Optics) การกำเนิดสีไม่ได้ขึ้นอยู่กับเพียงชนิดของโลหะที่ใช้ แต่ยังรวมถึงสถานะทางกายภาพ อย่างอะตอม โมเลกุล หรือไอออน สภาวะทางความร้อน และการมีอยู่ขององค์ประกอบเสริม เช่น คลอรีน

เคมีในสีของดอกไม้ไฟ... สวยขนาดนี้มาจากสารอะไรบ้าง?

สีแดง - สตรอนเชียมและลิเธียม

สีแดงที่มีความเข้มข้นสูงมักมาจากธาตุสตรอนเชียม (Strontium, Sr) สารประกอบที่นิยมใช้คือ สตรอนเชียมคาร์บอเนต (Strontium Carbonate) ซึ่งให้สีแดงสดสว่าง และสตรอนเชียมไนเตรต (Strontium Nitrate) ในทางฟิสิกส์แสงสีแดงเกิดจากการแผ่รังสีของโมเลกุล เมื่อมีคลอรีนอยู่ด้วย ในช่วงความยาวคลื่น 617-646 นาโนเมตร นอกจากนี้ ลิเธียมคาร์บอเนต (Lithium Carbonate) ยังเป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่ให้สีแดงปานกลาง

สีเขียว - แบเรียมและคลอรีน

สีเขียวสว่างได้มาจากเกลือของแบเรียม (Barium) เช่น แบเรียมคลอไรด์ (Barium chloride) หรือแบเรียมไนเตรต (Barium nitrate) ความลับของการได้สีเขียวที่บริสุทธิ์คือการเกิดโมเลกุลแบเรียมโมโนคลอไรด์ (Barium Monochloride) ในสภาวะพลาสมา ซึ่งให้แสงในช่วงความยาวคลื่น 507-533 นาโนเมตร หากไม่มีคลอรีนในระบบ แบเรียมจะสร้างโมเลกุล แบเรียมไฮดรอกไซด์ (Barium Hydroxide , BaOH) หรือ แบเรียมออกไซด์ (Barium oxide , BaO) ซึ่งให้สีเหลืองอมเขียวที่จืดจางกว่า

สีน้ำเงิน - ความท้าทายของทองแดง

พลุสีน้ำเงินเป็นสีที่ผลิตได้ยากที่สุด และเป็นพลุสีปราบเซียนที่สุดของคนทำพลุ แหล่งกำเนิดสีคือสารประกอบทองแดง (Copper) เช่น คอปเปอร์ (I) คลอไรด์ (CuCl) ซึ่งให้แสงในช่วงความยาวคลื่น 420-452 นาโนเมตร การทำพลุให้ได้สีน้ำเงินนั้น มักประสบปัญหาหลักคือความไม่เสถียรทางอุณหภูมิ เพราะถ้าอุณหภูมิสูงเกิน 1,000 องศาเซลเซียส โมเลกุล CuCl จะสลายตัวทันที ทำให้สีน้ำเงินหายไปและกลายเป็นควันสีขาวหรือประกายไฟสีเขียวจางๆ แทน

สีเหลืองและสีส้ม - โซเดียมและแคลเซียม

สีเหลืองเป็นสีที่สว่างที่สุด เกิดจากโซเดียม (Sodium) โดยเฉพาะโซเดียมไนเตรต (Sodium Nitrate) หรือไครโอไลต์ (Cryolite) แสงสีเหลืองมาจากเส้นสเปกตรัมคู่ Sodium D-line ที่ 589 นาโนเมตร ซึ่งมีความเข้มข้นสูงมาก จนสามารถกลบสีอื่นได้ง่าย ส่วนสีส้มได้มาจากแคลเซียม (Calcium) เช่น แคลเซียมคลอไรด์ ซึ่งให้ความยาวคลื่นประมาณ 585-610 นาโนเมตร

ดูพลุอย่างไรให้ไม่เสียสุขภาพ

แม้ว่าสีสันจะสวยงาม แต่พลุมีสารเคมีหลายชนิดที่ถูกผสมขึ้นเพื่อให้เกิดแสง สี และเสียงที่สวยงาม และสารเหล่านี้มีอันตรายหากสัมผัส สูดดม หรือสะสมในร่างกายเป็นเวลานาน จะส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพมนุษย์อย่างมีนัยสำคัญ ปัญหาหลักคือการใช้เปอร์คลอเรต (Perchlorate) ซึ่งเป็นสารออกซิไดซ์ที่ช่วยให้ดอกไม้ไฟพุ่งตัวขึ้นและระเบิดได้แรง สารนี้สามารถปนเปื้อนในแหล่งน้ำและดิน ส่งผลกระทบต่อต่อมไทรอยด์ ของมนุษย์และสัตว์ รวมถึงสารที่ทำให้เกิดสีสันที่สวยงามบนท้องฟ้า ล้วนมาจากโลหะ ซึ่งเป็นกลุ่มที่น่ากังวลที่สุดเพราะมีความเป็นพิษสูง เช่น

- แบเรียม (Barium) เป็นพิษต่อระบบทางเดินหายใจ หากสูดดมเข้าไปอาจทำให้เกิดการระคายเคืองต่อคอ ตา และจมูก ในระยะยาวอาจส่งผลต่อการทำงานของหัวใจและกล้ามเนื้อ

- สตรอนเชียม (Strontium) สารนี้สามารถเข้าไปแทนที่แคลเซียมในกระดูกได้หากได้รับในปริมาณมากเกินไป

- ทองแดง (Copper) ถึงแม้จะดูสวยงาม แต่สารประกอบทองแดงอาจทำให้เกิดสารก่อมะเร็งกลุ่มไดออกซิน เมื่อถูกเผาไหม้ร่วมกับสารเคมีอื่น

- ตะกั่ว (Lead) มักใช้เป็นตัวช่วยให้เกิดการระเบิดหรือสีบางชนิด เป็นอันตรายต่อระบบประสาทและการพัฒนาสมอง โดยเฉพาะในเด็ก

ส่วนสารที่เป็นเชื้อเพลิง (Fuels) ที่ต้องระวัง อาทิ ซัลเฟอร์หรือกำมะถัน (Sulfur) เมื่อเผาไหม้จะกลายเป็นก๊าซ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ซึ่งมีกลิ่นฉุนและมีฤทธิ์กัดกร่อน ทำให้แสบตา แสบจมูก และเป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อคนที่เป็นโรคหืดหรือโรคทางเดินหายใจ

นอกจากตัวสารเคมีโดยตรงแล้ว ยังมีอันตรายอื่นๆ ที่ต้องระวังไม่แพ้กันคือ ฝุ่นละอองขนาดเล็ก PM2.5 และ PM10 ที่เกิดจากการระเบิด การสูดดมควันดอกไม้ไฟที่ประกอบด้วยโลหะขนาดเล็กที่สามารถเข้าสู่กระแสเลือดได้โดยตรงทางปอด หากเล่นพลุหรือประทัดแล้วไม่ล้างมือ สารตะกั่วหรือแบเรียมอาจเข้าสู่ร่างกายผ่านการหยิบจับอาหาร ควรล้างมือและเปลี่ยนเสื้อผ้าเพื่อลดการสะสมของสารเคมี รวมถึงเสียงที่ดังเกิน 130 เดซิเบลอาจทำให้หูอื้อชั่วคราวหรือหูตึงถาวรได้ เด็ก ผู้สูงอายุ และผู้ที่มีโรคประจำตัวเกี่ยวกับปอดควรสวมหน้ากากอนามัยหรือหลีกเลี่ยงบริเวณที่มีควันหนาแน่น

อ้างอิง : scimath.org , compoundchem