قد يجذب العنوان العلمي A1920s، "آيس كريم من النفط الخام"، الحماس الجامح للكيمياء في العصر. أو "الدهون الصالحة للأكل، مثل تلك الموجودة في الأطعمة النباتية والحيوانية.. والمغذية على حد سواء.. والتي يمكن الحصول عليها عن طريق تكسير جزيئات الزيت المعدني وإعادة ترتيب الذرات". هكذا صرحت مجلة Science News Letter في عام 1926. كان الآيس كريم الاصطناعي مجرد واحدة من العجائب التي يمكن أن تقع بالقرب منك.
أضافت المقالة أن البترول سيصبح ذا قيمة متزايدة، كمصدر بديل للمواد التي كان الإنسان يحصل عليها من الطبيعة. تضمنت هذه المواد مجموعة من المنتجات المحتملة كالعطور والنكهات والنيتروغليسرين وصولاً إلى الديناميت والبلاستيك والأدوية وغير ذلك.
لم يرَ الآيس كريم الذي أساسه البترول النور أبداً، ومع ذلك فقد شهد القرن الماضي قفزة هائلة في قدرة البشر على تجميع المادة. من منازلنا ومدننا إلى إلكتروناتنا 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 الكتاب الذي صدر عام 2021 بعنوان "اليدوية: البحث عن المعنى من خلال التصنيع": لا يمكن التعرف على العالم قبل مئة عام. وهذا ببساطة بسبب المواد الموجودة لدينا الآن، ناهيك عن كل الطرق الجديدة التي نستخدمها 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، بدافع من الطلب في زمن الحرب، صقل الكيميائيون حرفتهم بالغازات السامة والمتفجرات والوقود، وكذلك المطهرات والمعقمات. نتيجة لذلك، سميت الحرب العالمية الأولى "حرب الصيدلة". وقد أذن القرن الجديد أيضاً بفهم أكبر للروابط الكيميائية والذرة ومكوناتها وسلوكها.
في العقود التي تلت، تم الجمع بين المناهج في الكيمياء والفيزياء والهندسة لإيجاد مجال جديد، يسمى الآن علم المواد. وصف مسح شامل أعدته الأكاديمية الوطنية للعلوم هذا المجال في السبعينيات بعنوان "المواد واحتياجات الإنسان"، يرى هذا المسح أن التحولات من الحجر إلى البرونز ومن البرونز إلى الحديد كانت ثورية من حيث التأثير، لكنها كانت بطيئة نسبياً من حيث النطاق الزمني. حدثت التغييرات في ابتكار المواد وتطبيقها خلال نصف القرن الماضي في فترة زمنية تعتبر ثورية وليست 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. وكشف علم البلورات بالأشعة السينية عن الترتيبات الذرية، مما سمح بفهم أفضل لبنية المواد. باستخدام معدات مثل مقاييس الطيف الكتلي. استفاد فرانسيس أستون لأول مرة من مطياف الكتلة في دراسته للنظائر في عام 1919، ولكن لفترة طويلة رأى بعض الكيميائيين هذه الأداة على أنها نوع من السحر الأسود غير قابل للتفسير أكثر من كونها أداة.
وُلدت العديد من المواد الجديدة بدافع من الفضول والصدفة بشكل أساسي. لكن التقنيات الجديدة مهدت الطريق أيضاً للابتكار المستهدف. اليوم، يمكن تصميم المواد من الصفر لحل مشاكل محددة. واستكشافات خصائص المواد الصلبة. جنباً إلى جنب مع تكرار التصاميم ساهمت هذه القفزات بشكل أكبر في الأشياء التي تحيط بنا، مما أفسح المجال للترانزستورات وعدسات النظارات التي تصبح داكنة في ضوء الشمس وشاشات اللمس ومحركات الأقراص الصلبة. أسفرت الاستكشافات حول كيفية تفاعل المادة مع الأنسجة البيولوجية عن دعامات تاجية في طب الأسنان وجلد اصطناعي واستبدال مفصل الورك باستخدام طبقات معدنية صلبة وغير تفاعلية عندما توضع بمواجهة العظام.
إن مخرجات هذه الجهود تحيط بنا في كل مكان. خذوا السفر الجوي مثلاً، والترابط العالمي الذي قدمه. إنه ممكن بفضل السبائك خفيفة الوزن والقوية. والاتصال الشخصي اليوم - عبر الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر - يأتي مع ترانزستورات مصنوعة من السيليكون. جلب صغر حجمها ومتطلبات الطاقة منخفضة الحوسبة إلى مكاتبنا، ثم إلى منازلنا وجيوبنا. وفرة من الأدوات المنزلية البلاستيكية وخيارات الملابس الرياضية المريحة أصبحت ممكنة من خلال تحسينات البوليميرات.
ومع ذلك، فإن الابتكار لم يأت دون عواقب. فلكل قصة تقدم، هناك قصص عن العلامات التي تركها الناس على هذا الكوكب. مع تمكين البشر من الازدهار، تحول العديد من المواد الجديدة إلى ملوثات، من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى البلاستيك. على الرغم من أن الناس يتعاملون مع هذه المشكلات البيئية، فمن المحتمل أن تكون المواد الجديدة الأخرى جزءاً من المشكلات.
الوقود عالي الأوكتان
كان ذلك في صيف عام 1940، الأيام الأولى لمعركة بريطانيا. بدأت القوات الجوية الألمانية النازية هجوماً دام شهوراً على الجزر البريطانية، وشمل في النهاية غارات القصف الليلية المعروفة باسم الهجوم الخاطف. اعتقدت القوات الجوية الألمانية أن لها اليد العليا في المعارك في فرنسا. لكنهم لم يعلموا أن الحلفاء لديهم سلاح سري - في خزانات الوقود الخاصة بهم.
عندما بدأ الألمان في التحليق فوق إنجلترا، وجدوا أن طائرات سبيتفاير البريطانية يمكن أن تتسلق أعلى وتطير بشكل أسرع بفضل الوقود المصنوع من عملية مطورة حديثاً تسمى التكسير التحفيزي.
تعمل المحفزات على تعزيز التفاعلات الكيميائية عن طريق تقليل الطاقة اللازمة لتحريكها. طور المهندس الميكانيكي الفرنسي يوجين هودري عملية تحفيزية في ثلاثينيات القرن الماضي لإنتاج وقود عالي الأوكتان، والذي يمكنه تحمل ضغط أعلى ويسمح للمحركات بتوصيل المزيد من الطاقة. إن مجرد زيادة تصنيف الأوكتان لوقود الطائرات من 87 إلى 100 أعطى الحلفاء ميزة حاسمة.
لم يكن هودري أول من حاول استخدام المحفزات لتقسيم الجزيئات الكبيرة من الوقود الثقيل إلى جزيئات أصغر لتحسين الأداء. ولكن بصفته متسابقاً شغوفاً بالسيارات، كان لدى هودري اهتمام خاص بالبنزين عالي الجودة. ودرس المئات من المحفزات حتى وصل إلى مواد تعتمد على الألمنيوم والسيليكون والتي يمكن أن تقوم بعملية التكسير بكفاءة أكبر من العملية التي تعتمد على الحرارة. عندما اختبر بنزينه في سيارته الـ "بوغاتي"، وصل إلى سرعة 90 ميلاً في الساعة.
في العقود التالية، كان من شأن التكسير التحفيزي والتحسينات التي أدخلت على العملية التي ابتكرها هودري أن تساهم في السيارات. لا يزال التكسير التحفيزي ينتج الكثير من الوقود الذي تستهلكه السيارات اليوم.
لكن كل هذه القيادة سرعان ما أثرت على البيئة. عندما تحترق جزيئات الهيدروكربون في البنزين، يحتوي عادم المحرك على كميات صغيرة من الغازات الضارة: أول أكسيد الكربون السام، وأكسيد النيتروجين الذي يمكن أن يسبب الضباب الدخاني والأمطار الحامضية، وكذلك الهيدروكربونات غير المحترقة. اختنقت لوس أنجلوس ومدن أخرى مليئة بالسيارات بالضباب الدخاني في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي.
نظر هودري مرة أخرى إلى المحفزات للتعامل مع التلوث الذي تسببه محركات الاحتراق الداخلي. قام بتصميم محول تحفيزي. قال هودري: يمكن استخدام عدد كبير من المحفزات للتفاعل. بمجرد وضع أحد هذه المحفزات في خط العادم تحت ظروف خاضعة للرقابة، يمكن تنظيف أبخرة العادم. المحفزات المعدة من المعادن الثمينة مثل البلاتين أو البلاديوم، توفر مواقع رسوٍ للغازات الضارة لتعلق عليها هناك، ثم تأتي التفاعلات التي تنطوي على الأكسجين وتحولها إلى أشكال أقل ضرراً.
في الخمسينيات من القرن الماضي، حدد هودري سلسلة من التفاعلات والمواد والظروف اللازمة لمحول تحفيزي عامل. لكنه كان متقدماً على وقته. لسنوات، تم إعاقة استخدام المحولات التحفيزية في السيارات بسبب البنزين الحاوي على الرصاص، والذي أدى إلى تلويث أسطح المحفزات. أخيراً مع اعتماد قانون الهواء النظيف عام 1970، والذي أدى إلى متطلبات للمحولات التحفيزية والوقود الخالي من الرصاص، بدأ الهواء في المدن يصبح أنقى.
سبائك الألمنيوم
لكي يخدم السفر الجوي الجماهير كانت هناك معضلة مختلفة بحاجة إلى حل: تخفيف العبء. 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 - Ford Trimotor، الملقبة بـ Tin Goose - انطلقت إلى الهواء في عام 1926 بمساعدة سبائك الألومنيوم.
وُجدت السبائك منذ العصور القديمة. جمع حرفيو العصر البرونزي النحاس مع الزرنيخ أو القصدير في بوتقات لصنع الأدوات والمجوهرات وغير ذلك. من هناك، تزامن التقدم مع القدرة على صهر المعادن في درجات حرارة أعلى وأعلى، مما أدى في النهاية للوصول إلى الصلب. درس العلماء منذ ذلك الحين كيف تختلف هياكل وخصائص المواد - بما في ذلك الميزات المرغوبة مثل القوة وقابلية الانحناء ومقاومة التآكل - باختلاف التركيب ودرجة الحرارة والمعالجة.
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 إلى المكونات الأساسية للمركبات. تصنع المحركات النفاثة اليوم من سبائك فائقة القدرة على تحمل درجات الحرارة الجهنمية.
كما ساعدت المواد البلاستيكية والمواد المركبة في إنقاص وزن الطائرات. تجمع المواد المركبة بين المواد ذات الخصائص المختلفة جداً - مثل الزجاج والبلاستيك - عن طريق تعليق أحدهما في الآخر أو تجميعهما معاً. نظراً لأنه يمكن ضبطها لتكون خفيفة وقوية، فقد شقت المركّبات طريقها إلى جميع أجزاء الطائرات، من المحرك وصولاً إلى الأجنحة. جعلت هذه الخفة في الوزن إمكانية الطيران أسهل، واستطاعت أن تصل إلى عموم الناس بأسعار معقولة.
لكن كانت الكرة الأرضية دائماً تدفع ثمناً باهظاً مقابل كل إنجاز حققه الإنسان أو قفزة علمية رائدة... من استهلاك سريع لموارد الكرة الأرضية، إلى خلق المزيد من المشكلات التي ينبغي على العلم البحث عن حلول لها.
----