جاء الإبداع والموهبة بمنتجات جعلت الحياة أسهل، ولكن ذلك كانت له آثار جانبية غير متعمدة. لقد اختلفت سياراتنا ومبانينا وملابسنا وهواتفنا تماماً عما كانت عليه في السابق بسبب المواد الجديدة التي تم تطويرها على مدار القرن الماضي.
يبدو أن قيمة البترول تزايدت كمصدر للمواد التي كان الإنسان يعتمد عليها، والتي منت علينا الطبيعة بها. وتضمنت مجموعة من المنتجات المحتملة العطريات والنكهات، والنيتروغليسرين للديناميت والبلاستيك والأدوية وغير ذلك. من منازلنا ومدننا إلى إلكترونياتنا وملابسنا، أصبح الكثير مما نتفاعل معه يومياً ممكناً من خلال التلاعب وإعادة التركيب وإعادة تخيل المواد الأساسية التي توفرها الطبيعة.
تقول آنا بلوزاجسكي، عالمة المواد ومؤلفة كتاب "صناعات يدوية" الصادر عام 2021: "لا يمكن التعرف على العالم الذي كنا عليه منذ 100 عام". وهذا، كما تقول، "ببساطة بسبب المواد الموجودة لدينا حالياً، ناهيك عن كل الطرق الجديدة التي تستخدم بها".
في مطلع القرن العشرين، تعلم الكيميائيون العضويون كيفية تحويل الفحم إلى مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية الصناعية، بما في ذلك الأصباغ والعطور. في وقت لاحق، وبدافع من الطلب في زمن الحرب، طور الكيميائيون عملهم ليشمل الغازات السامة والمتفجرات والوقود، فضلاً عن المعقمات. وسمح القرن الجديد أيضاً بفهم أكبر للروابط الكيميائية والذرة ومكوناتها وسلوكها.
في العقود التي تلت ذلك، تم الجمع بين المناهج في الكيمياء والفيزياء والهندسة لإيجاد مجال جديد، يسمى الآن علم المواد. وصف مسح شامل للمجال، أعدته الأكاديمية الوطنية للعلوم في السبعينيات بعنوان "المواد واحتياجات الإنسان"، وتيرة البحث: "كانت التحولات من الحجر إلى البرونز ومن البرونز إلى الحديد، ثورية من حيث التأثير، لكنها كانت بطيئة نسبياً من حيث النطاق الزمني. تحدث التغييرات في ابتكار المواد وتطبيقها خلال نصف القرن الماضي في فترة زمنية تعتبر ثورية أكثر منها تطورية".
إلى جانب هذا العلم الجديد، ظهرت أدوات علمية جديدة ومحسنة. يمكن للعلماء الآن رؤية المواد على نطاق أدق بكثير، باستخدام المجهر الإلكتروني الذي يجعل الذرات الفردية مرئية. يكشف علم البلورات بالأشعة السينية عن الترتيبات الذرية، ما يسمح بفهم أفضل لبنية المواد. باستخدام معدات مثل الكروماتوغرافيا ومقاييس الطيف الكتلي، يمكن لعلماء اليوم فك تشابك خلائط من المواد الكيميائية وتحديد المركبات الموجودة بداخلها. استفاد فرانسيس أستون لأول مرة من مطياف الكتلة في دراسته للنظائر في عام 1919، ولكن لفترة طويلة رأى بعض الكيميائيين الأداة على أنها "نوع من السحر الأسود غير قابل للتفسير".
لعب الفضول والصدفة دوراً أساسياً في عدد من الابتكارات بالإضافة إلى التقنيات الجديدة؛ حيث يمكن اليوم تصميم المواد من الصفر لحل مشاكل معينة. واستكشاف خصائص المواد الصلبة - على سبيل المثال، وكيف تتفاعل المادة مع الحرارة أو الضوء أو الكهرباء أو المغناطيس، ما أفسح المجال لظهور الترانزستورات، عدسات النظارات الحساسة لضوء الشمس، إضافة إلى شاشات اللمس ومحركات الأقراص الصلبة. وأسفرت الاستكشافات حول كيفية تفاعل المادة مع الأنسجة البيولوجية عن دعامات تاجية وجلد اصطناعي واستبدال مفصل الورك، بما في ذلك تشكيلات معدنية صلبة وثابتة.
تحيط بنا نتائج هذه الجهود من كل جانب. فمثلاً السفر الجوي الذي خلق الترابط العالمي بفضل استخدام السبائك خفيفة الوزن والقوية. والاتصالات اليوم - عبر الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر - يأتي مع ترانزستورات مصنوعة من السيليكون. حيث مكننا صغر حجمها ومتطلبات الطاقة المنخفضة الحوسبة من المجيء بها إلى مكاتبنا، ثم إلى منازلنا وجيوبنا. وأصبحت وفرة من الأدوات المنزلية البلاستيكية وخيارات الملابس الرياضية المريحة ممكنة من خلال التحسينات في البوليمرات (مادة البوليميرا التي لها بنية جزيئية تتكون أساساً أو كلياً من عدد كبير من الوحدات المتشابهة المرتبطة ببعضها البعض).
ومع ذلك، فإن الابتكار لا يأتي من دون عواقب؛ إذ إن كل قصة تقدم، تركت عدداً من الآثار على هذا الكوكب. فمع تمكين البشر من الازدهار، أصبحت العديد من المواد الجديدة ملوثات، من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى البلاستيك. Top of Form
Bottom of Form
الأسفارالأ
التنقلات
في صيف عام 1940، كانت الأيام الأولى لمعركة بريطانيا. بدأت القوات الجوية الألمانية النازية، لوفتوافا، هجوماً دامياً امتد لشهور على الجزر البريطانية، وشمل في النهاية غارات قصف ليلية عرفت باسم الهجوم الخاطف. عند الدخول في المعركة، اعتقدت القوات الجوية الألمانية أن لها اليد العليا ؛ في المعارك في فرنسا، سيطر الألمان في الجو. لم يعلموا أن الحلفاء لديهم سلاح سري - في خزانات الوقود الخاصة بهم.
عندما بدأ الألمان بالتحليق فوق إنجلترا، فوجئوا بالطاولات وقد انقلبت. وتمكنت طائرات سبيتفاير البريطانية وأعاصيرها أن تتسلق أعلى وتطير بشكل أسرع بفضل الوقود المصنوع من عملية مطورة حديثاً في حينها سميت التكسير التحفيزي. حيث تعمل المحفزات على تعزيز التفاعلات الكيميائية عن طريق تقليص الطاقة اللازمة لتحفيزها. وقد طور المهندس الميكانيكي الفرنسي يوجين هودري عملية تحفيزية في ثلاثينيات القرن الماضي لإنتاج وقود عالي الأوكتان يتحمل ضغطاً أعلى ويسمح للمحركات بتوصيل المزيد من الطاقة. وبمجرد زيادة تصنيف الأوكتان لوقود الطائرات من 87 إلى 100 اكتسب الحلفاء ميزة حاسمة.
ولكن هذه الميزة زادت من الغاز الذي تفرزه السيارات اليوم. وسرعان ما أثرت كل هذه الآليات على البيئة. واختنقت لوس أنجلوس ومدن أخرى مليئة بالسيارات بالضباب الدخاني في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي.
أخيراً، مع مرور قانون الهواء النظيف لعام 1970، والذي أدى إلى متطلبات للمحولات الحفازة والوقود الخالي من الرصاص، بدأ الهواء في المدن بالنقاء.
لكي يخدم السفر الجوي البشر، كانت هناك معضلة بحاجة إلى حل وهي: تخفيف الحمولة. اكتسبت الطائرات الأولى قوة دفع في مطلع القرن العشرين على أجنحة من القماش والخشب، ولكن لكي تحلق بالفعل، احتاجت الطائرات إلى مواد خفيفة ولكنها قوية. أول طائرة مصممة للركاب انطلقت إلى الهواء في عام 1926 باستخدام سبائك الألومنيوم.
شهد القرن العشرون انفجاراً في أنواع السبائك وتطبيقاتها، من أدوات المائدة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ إلى سبائك التيتانيوم المستخدمة في الأطراف الاصطناعية وأجهزة تنظيم ضربات القلب، وصولاً إلى المكونات الأساسية للمركبات. تُصنع المحركات النفاثة اليوم من سبائك فائقة القدرة على تحمل درجات الحرارة فائقة الارتفاع.
كما ساعدت المواد البلاستيكية والمركبات في إنقاص وزن الطائرات. فقد الزجاج والبلاستيك طريقهما إلى أجزاء في جميع الطائرات، من المحرك إلى الأجنحة. تتكون طائرة بوينغ 787 دريملاينر، التي ظهرت لأول مرة في عام 2007، من 50 % من هذين المركبين من حيث الوزن.
اتصالات
للحصول على دليل على قوة المواد في التواصل بيننا، ما عليك سوى إلقاء نظرة على آي فون. يقول بلوزايسكي، عالم المواد: "يحتوي الآي فون على نسبة كبيرة من جميع الذرات التي نعرفها في الكون والموجودة فيه". بعض هذه العناصر عبارة عن عناصر أرضية نادرة. وعلى الرغم من صعوبة تعدينها ومعالجتها، إلا أنه يتم البحث عن تربة نادرة لأنها تضفي خصائص مغناطيسية وفلورية وكهربائية غير عادية للمواد المصنوعة منها. النيوديميوم، على سبيل المثال، الممزوج بمعادن أخرى هو أقوى مغناطيس معروف. هذه المغناطيسات تجعل هاتفك الخلوي يهتز ويصدر الأصوات من مكبرات صوته.
على الرغم من المخاطر المرتبطة بالتعدين، تظهر هذه العناصر في الكثير من تطبيقات القرن العشرين الأخرى أيضاً، من أجهزة التلفزيون الملونة وعدسات الكاميرا وكابلات الألياف الضوئية والمفاعلات النووية وبطاريات هيدريد النيكل المعدنية، إلى محركات الطائرات وأجهزة التصوير السكانر وغير ذلك الكثير.
تحتوي الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة على نطاق واسع على عنصر السيليكون. يقوم السيليكون بعمل أشباه موصلات، لتوصيل الكهرباء بشكل أفضل من السيراميك والزجاج، ولكن ليس مثل المعادن. وهو عنصر تحكم مثالي لإنشاء مفاتيح كهربائية للدوائر في أجهزة الراديو أو التلفزيون أو أجهزة الكمبيوتر. في الثلاثينيات والأربعينيات من القرن الماضي، اعتمدت هذه الأجهزة الإلكترونية وغيرها على أنابيب زجاجية ضخمة مفرغة وقابلة للكسر للتحكم بتدفق التيار الكهربائي. وخلال عقود من الأبحاث تحولت أشباه الموصلات لتصبح أكثر موثوقية وأقل حجماً.
تتواجد هواتفنا المستحوذة على انتباهنا أمامنا مباشرة. ولكن بعيداً عن الأنظار توجد الألياف الضوئية التي تنقل الرسائل حول العالم في لمح البصر. ويمكن أن يمتد الزجاج المعلق في الكابلات الضوئية في العالم من الأرض حتى أورانوس. تنقل هذه الكابلات الرسائل عبر البلدان والقارات وعبر قاع البحر. تقول آينيسا راميريز، عالمة المواد: "إن الألياف الضوئية ربطت العالم معاً بطريقة جديدة حقاً". اعتادت أن تأتي الرسائل عبر المحيط الأطلسي بالقوارب، كما تقول، ثم جاءت الكابلات النحاسية لترحيل إرساليات التلغراف في أربعينيات القرن التاسع عشر. كانت أول حركة مرور هاتفية حية تم إرسالها عبر كبلات الألياف الضوئية في عام 1977 في لونغ بيتش، كاليفورنيا. والآن تصل رسائل البريد الإلكتروني من الخارج بشكل فوري تقريباً بفضل الألياف الضوئية الرقيقة كالشعر.
قائمة المواد التي ساعدت في وضع محيطات من المعلومات في متناول أيدينا تطول وتطول. أدت كل هذه التطورات، بما في ذلك بطاريات الليثيوم أيون الحالية والمزيد، إلى وفرة الأجهزة الإلكترونية اليوم. ولكن المزيد من التحسينات، وحثنا المستمر على التطوير، يخلقان مشكلة جديدة: "كيف يمكننا إزالة هذه الأشياء وإعادة تدوير تلك المواد بأمان؟" يسأل بلوزاجسكي.
تلال من البلاستيك
أمضت سوزان فرينكل يوماً كاملاً في فهرسة جميع الأشياء البلاستيكية التي واجهتها. حيث غطت المواد البلاستيكية جسدها - سراويل اليوغا والأحذية الرياضية والنظارات. شكل البلاستيك الجزء الداخلي الكامل لشاحنتها الصغيرة وأجزاء من أدوات المطبخ. كانت العبوات البلاستيكية تحمي طعامها حتى سلة القمامة البلاستيكية. وكذلك فإن الجدران المحيطة بها تحتوي على مواد بلاستيكية، من الطلاء إلى العزل الصناعي.
اليوم، نحن غارقون في البلاستيك. ومع ذلك، في بداية القرن العشرين، لم يكن هناك سوى عدد قليل من المواد البلاستيكية تشق طريقها إلى المنازل.
بدأت قصة البلاستيك التجاري في ستينيات القرن التاسع عشر، عندما هبط جون ويسلي هيات، الذي كان يبحث عن بديل للعاج المستخدم بشكل شائع في كرات البلياردو، على مادة سميت فيما بعد السيلوليد. ومع ذلك، في قلب السيلوليد، كانت المادة الطبيعية السليلوز.
وصل أول بلاستيك اصطناعي بالكامل، الباكليت، في عام 1907. كان الاكتشاف صدفة من قبل الكيميائي البلجيكي ليو بايكلاند، الذي كان يبحث عن بديل للشيلاك الطبيعي الذي يعزل الكابلات الكهربائية. كان السيلوليد بديلاً مناسباً للعاج وقوقعة السلحفاة، ولكن البلاستيك الصناعي شق طريقه بسرعة إلى مجموعة من المنتجات، بما في ذلك أغلفة أجهزة الراديو والمجوهرات والهواتف. كتب فرينكل عن ولادة حقبة جديدة من الابتكار في مواد الطبيعة، بدلاً من مجرد تقليدها.
ومع ذلك، لم يبدأ الباحثون في فهم الطبيعة الكيميائية للبلاستيك حتى عشرينيات القرن الماضي. يتكون البلاستيك من بوليمرات، وهي جزيئات كبيرة مصنوعة من وحدات متكررة. في ذلك الوقت، ظلت خصائص البوليمرات الطبيعية مثل السليلوز والشيلاك والمطاط غير معروفة. لذلك اعتمد المخترعون الذين يبحثون عن بدائل جديدة من صنع الإنسان، على التجربة والخطأ لصنع شيء مشابه. ويعود الفضل في تغيير كل ذلك إلى الكيميائي الألماني هيرمان ستودينغر.
من خلال التجارب التي أجريت على المطاط الطبيعي، أظهر ستودينغر أنه يمكن تشكيل جزيئات كبيرة وثقيلة من خلال ربط العديد من الجزيئات الأصغر في سلاسل. كما عبرت رسالة مجلة أخبار العلم عام 1953، عندما مُنح الكيميائي الألماني ستودينغر جائزة نوبل في الكيمياء: "الطريقة التي تنظم بها الجزيئات نفسها تحدد الاختلافات بين المطاط النابض، والبلاستيك الصلب، والألياف الصلبة". قد يبدو الأمر واضحاً اليوم، لكن اكتشاف ستودينغر كان مثيراً للجدل؛ حيث اعتقد الكيميائيون في ذلك الوقت أن ما نسميه الآن الجزيئات الكبيرة، كان مجرد تجمعات من جزيئات أصغر.
اكتسبت أفكار ستودينغر قبولاً تدريجياً، وشكلت أساساً لبحث جديد حول البوليمرات. وكانت إحدى قصص النجاح المبكرة هي النايلون، وهو بوليمر قائم على الكربون حاصل على براءة اختراع في عام 1938 كبديل للحرير.
لكن الحرب العالمية الثانية هي التي أدت إلى زيادة الطلب على البلاستيك بشكل كبير. فقد لجأ الجيش إلى الصناعة الجديدة لإنتاج بدائل للمواد الاستراتيجية مثل الزجاج أو النحاس الأصفر أو الفولاذ، كما يقول فرينكل. كان النايلون ضرورياً للاستخدامات العسكرية، لذلك عرضت النساء جواربهن لإعادة تدويرها.
على الرغم من صغر حجمها في بداية الحرب، تحسنت صناعة البلاستيك في صنع بضاعتها وعززت الإنتاج. يقول فرينكل إن العمليات مثل القولبة بالحقن جعلت من الممكن إنتاج البلاستيك بكميات كبيرة. وقدمت تقنية تسمى النفخ المستندة إلى نفس مبدأ نفخ الزجاج، طريقة سريعة لتشكيل الزجاجات البلاستيكية. ولاحقاً بدأ التدفق البلاستيكي إلى الحياة اليومية. والملفت أن البلاستيك قدم طريقة جديدة للحصول على حياة جيدة بسعر رخيص.
ينتج العالم الآن ما يزيد عن 380 مليون طن متري من البلاستيك سنوياً - أي أكثر من مائة رطل من الأشياء الخفيفة الوزن جداً لكل شخص على هذا الكوكب كل عام.
العواقب
يقول فرينكل إنه بحلول منتصف الستينيات، بدأ الباحثون في ملاحظة القطع البلاستيكية في المحيط. اليوم، يوجد التلوث البلاستيكي في كل مكان تقريباً، من الرياح، إلى قمة جبل إفرست الثلجية، وعبر تراكم القمامة في قاع البحر. شكل البلاستيك المثال الجوهري للرحلة من أعجوبة المواد إلى الإزعاج البيئي. لكنه ليس المشكلة الوحيدة.
قدمت التطورات في الكيمياء العضوية في أوائل القرن العشرين مواد جديدة ومثيرة ممكنة، لكنها سمحت أيضاً للناس بصنع المزيد والمزيد من المواد التي لم تكن قابلة لإعادة التدوير، كما يقول توماس لو رو، المؤرخ في المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي في باريس وزملاؤه. -مؤلف كتاب صدر عام 2020 بعنوان "تلوث الأرض". بحلول سبعينيات القرن الماضي، أشارت المنتجات الجديدة التي تستخدم لمرة واحدة، من الأقلام إلى شفرات الحلاقة إلى التغليف، إلى سهولة الحياة. يقول: "كان التخلص مما نشتريه (مما يسمى الاستخدام مرة واحدة) شيئاً جديداً". وسرعان ما ظهرت عواقب هذه العلاقة السهلة مع الأشياء لدينا في البيئة. إن طلبنا المستمر على الوقود الأحفوري، المستخدم ليس فقط كوقود ولكن كمواد خام لصناعة البلاستيك، يطلق انبعاثات تساهم في تغير مناخ الأرض.
تم إنشاء العديد من موادنا الحديثة لحل المشكلات، كما يقول مارك جونز، الكيميائي وعضو لجنة المعالم الكيميائية التاريخية الوطنية التابعة للجمعية الكيميائية الأمريكية. على سبيل المثال، قبل الثلاثينيات من القرن الماضي، كان تكييف الهواء والتبريد يعتمدان على الأمونيا، وهي مادة سامة وقابلة للاشتعال. تغير ذلك مع إدخال الفريون وغيره من مركبات الكربون الكلورية فلورية، أو CFCs باختصار، والتي صنعها الكيميائيون في عشرينيات القرن الماضي. يبدو أن تأثير هذه الجزيئات ضئيل على الكائنات الحية وأكثر أمناً.
لكن كان للفريون وأبناء عمومته من مركبات الكربون الكلورية فلورية عواقب غير متوقعة على الغلاف الجوي. في الثمانينيات من القرن الماضي، اكتشف العلماء ثقباً في طبقة الأوزون يتشكل عندما ترتفع مركبات الكربون الكلورية فلورية إلى طبقة الستراتوسفير، وتتحلل وتتفاعل مع الأوزون، ما يؤدي إلى تدميره. وجد الجنس البشري نفسه في مشكلة جديدة نتيجة لحله مشكلة قديمة.
يقدم تاريخ العلم أمثلة وفيرة للحلول التي تولد مشاكل جديدة. يمكن أن تسبب مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، أو مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وهي عوازل مفيدة في الإلكترونيات، مشاكل صحية خطيرة، بما في ذلك السرطان، عندما تدخل البيئة. المركبات التي تسمح للطعام بالانزلاق من أواني المطبخ دون الالتصاق، تنتمي إلى عائلة اكتسبت لقب "المواد الكيميائية إلى الأبد" لميلها إلى عدم التدهور. تعدين الليثيوم، الذي زاد الطلب على بطاريات الليثيوم أيون، يسرف في استهلاك المياه، ويمكن أن يطلق مواد كيميائية ضارة تلوث النظم البيئية وتسمم آبار الشرب.
ربما تكون أكبر عواقب غير مقصودة تواجه البشرية اليوم هي تغير المناخ. الأنشطة البشرية - المصانع والتعدين والزراعة والسفر واستخدام تكييف الهواء والتدفئة للحفاظ على المناخ الداخلي مريحاً - تسببت في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري التي أدت إلى ارتفاع درجة حرارة العالم بنحو 1.25 درجة مئوية منذ عصور ما قبل الصناعة. يشهد العالم بالفعل ظواهر مناخية حادة مرتبطة بتغير المناخ.
380 مليون طن متري
من الواضح أن الكيميائيين وعلماء المواد قد ساهموا في هذه المشاكل. لكنهم سيكونون حتماً جزءاً من إيجاد الحلول أيضاً. يقوم الكيميائيون الآن بصنع مواد بلاستيكية تتحلل بعد الاستخدام، ويمكن إعادة تدويرها بسهولة أكبر. وينشر المهندسون مواد جديدة لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون في المداخن. كما ويمكن للمحفزات الجديدة القائمة على الحديد أن تحول في يوم من الأيام ثاني أكسيد الكربون الملتقط إلى وقود نفاث، ما قد يقلل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في السفر الجوي. ويستمر الباحثون في الابتكار لتحويل المزيد والمزيد من الطيف الشمسي إلى طاقة، وبالتالي تقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري.
لا يمكن أن تحل الكيمياء وابتكار المواد مشاكلنا جميعها. وتتطلب الموازنة بين المخاطر والمكافآت التي تأتي مع المواد الجديدة الاعتراف بالمشكلات المحتملة، واللوائح لمكافحتها، وقوة الإرادة، والتعاون، والعمل الجماعي. والتاريخ حافل بالكثير من الدروس، ولكن لم يتضح بعد ما إذا كنا سنتعلم منها.
----