للحصول على شهادة على قوة المواد التي تربطنا، ما عليك سوى إلقاء نظرة على الآيفون. تقول بلوزاجسكي عالمة المواد: يحتوي آيفون على حوالي 75 عنصراً من الجدول الدوري، نسبة كبيرة من جميع الذرات التي نعرفها في الكون موجودة فيه. بعض هذه العناصر عبارة عن عناصر أرضية نادرة، وهي مجموعة من 17 عنصراً معدنياً معظمها في أطراف الجدول الدوري. على الرغم من صعوبة تعدينها ومعالجتها، إلا أنها تضفي خصائص مغناطيسية وفلورية وكهربائية غير عادية للمواد المصنوعة منها. النيوديميوم مثلاً الممزوج بمعادن أخرى يصنع أقوى مغناطيس معروف.
على الرغم من المخاطر المرتبطة بالتعدين، تظهر هذه العناصر في الكثير من تطبيقات القرن العشرين الأخرى أيضاً. توجد أتربة نادرة في أجهزة التلفزيون الملونة وعدسات الكاميرا وكابلات الألياف الضوئية والمفاعلات النووية وبطاريات هيدريد النيكل المعدنية ومحركات الطائرات وأجهزة التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني وغير ذلك الكثير.
عنصر مألوف أكثر - السيليكون - هو سبب توفر الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة على نطاق واسع.
كأشباه موصلات، يقوم السيليكون بتوصيل الكهرباء بشكل أفضل من السيراميك والزجاج.
الترانزستور
أول مفتاح لأشباه الموصلات، أُطلق عليه اسم الترانزستور، كان مصنوعاً من الجرمانيوم، وتم اختراعه في مختبرات بيل في عام 1947. لكن علماء تكساس إنسترومنتس وبيل لابز كانوا يتطلعون إلى السيليكون، الذي يتحمل درجات حرارة أعلى. كما أن احتمال تسريب السليكون للتيار أقل من الجرمانيوم عند إيقاف تشغيل المفتاح.
تخيلوا كل الزجاج المعلق في الكابلات الضوئية في العالم الذي يمكنه أن يربط الأرض بأورانوس ويمتد حوالي 4 مليارات كيلومتر. تنقل هذه الكابلات الرسائل عبر البلدان والقارات وعبر قاع البحر. تقول أينيسا راميريز عالمة المواد: إن الألياف الضوئية ربطت العالم معاً بطريقة جديدة.
قائمة المواد التي ساعدت في وضع محيطات المعلومات في متناول أيدينا تطول وتطول. أدت كل هذه التطورات، بما في ذلك بطاريات الليثيوم أيون الحالية، إلى وفرة الأجهزة الإلكترونية اليوم. ولكن المزيد من التحسينات، وجهودنا المستمرة في الترقية، يخلقان مشكلة جديدة: كيف يمكننا إزالة هذه الأشياء وإعادة تدوير تلك المواد بأمان؟ تسأل بلوزاجسكي.
المزيد من البلاستيك
في محاولة لفهم الوجود الكلي للبلاستيك، أمضت سوزان فرينكل ، مؤلفة كتاب "البلاستيك: قصة حب سامة" يوماً في فهرسة كل الأشياء البلاستيكية التي واجهتها.
غطت المواد البلاستيكية جسدها: في سراويل اليوغا والأحذية الرياضية والنظارات. كما شكل البلاستيك الجزء الداخلي الكامل لشاحنتها الصغيرة وأجزاء من أدوات المطبخ. كانت العبوات البلاستيكية تحمي طعامها، وبعد تناول الطعام ألقت القمامة في سلة بلاستيكية. حتى الجدران المحيطة بها تحتوي على مواد بلاستيكية، من الطلاء إلى العزل الصناعي.
نحن اليوم 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 عثر جون ويسلي هيات الذي كان يبحث عن بديل للعاج المستخدم بشكل شائع في كرات البلياردو، على مادة سميت فيما بعد السيلولويد. رغم أنه في قلب السليلويد، كانت المادة الطبيعية السليلوز.
وصل أول بلاستيك اصطناعي بالكامل، الباكليت، في عام 1907. كان اكتشافاً بالصدفة من قبل الكيميائي ليو بايكلاند، الذي كان يبحث عن بديل للعازل الطبيعي الذي يعزل الكابلات الكهربائية. كان السليلويد بديلاً مناسباً للعاج وصدف السلحفاة، ولكن الباكليت الأملس اللامع المتلألئ أصبح أكثر شيوعاً. وسرعان ما شق طريقه إلى مجموعة من المنتجات، بما في ذلك أغلفة أجهزة الراديو والمجوهرات والهواتف. كتبت فرينكل أن حقبة جديدة من الابتكار في مواد الطبيعة، بدلاً من مجرد تقليدها، قد وُلدت.
ومع ذلك، لم يبدأ الباحثون في فهم الطبيعة الكيميائية للبلاستيك حتى عشرينيات القرن الماضي. البلاستيك مصنوع من البوليمرات. في ذلك الوقت ظلت خصائص البوليمرات الطبيعية مثل السليلوز واللك والمطاط غير معروفة. لذلك اعتمد المخترعون الذين يبحثون عن بدائل جديدة من صنع الإنسان على التجربة والخطأ لصنع شيء مشابه. يعود الفضل في تغيير كل ذلك إلى الكيميائي العضوي الألماني هيرمان ستودينجر الحائز على جائزة نوبل.
من خلال التجارب التي أجريت على المطاط الطبيعي، أظهر ستودينجر أن الجزيئات الكبيرة والثقيلة يمكن أن تتشكل من خلال ربط العديد من الجزيئات الأصغر في سلاسل. فقد وجد أن الطريقة التي تنظم بها الجزيئات نفسها تحدد الاختلافات بين المطاط النابض والبلاستيك الصلب والألياف الصلبة. كان اكتشاف ستودينجر مثيراً للجدل.
اكتسبت أفكار ستودينجر قبولاً تدريجياً، وشكلت أساساً لبحث جديد حول البوليمرات. في العقد التالي عمل الكيميائيون الصناعيون على اكتشاف التفاعلات الكيميائية اللازمة لإنتاج بوليمرات جديدة من بينها البلاستيك. كانت إحدى قصص النجاح المبكرة هي النايلون، وهو بوليمر قائم على الكربون، حاصل على براءة اختراع في عام 1938 كبديل للحرير. تم تقديم الجوارب المصنوعة من النايلون إلى النساء الأمريكيات عام 1940. خلال عام استحوذ النايلون على 30% من سوق الجوارب.
لكن الحرب العالمية الثانية هي التي أدت إلى زيادة الطلب على البلاستيك بشكل كبير. لجأ الجيش إلى الصناعة الجديدة لعمل بدائل للمواد الاستراتيجية مثل الزجاج أو النحاس الأصفر أو الفولاذ، كما تقول فرينكل. كانت هناك حاجة إلى النايلون للاستخدامات العسكرية، لذلك عرضت النساء جواربها لإعادة تدويرها.
ذكرت صحيفة Science News Letter في عام 1943 أن "أكواماً كبيرة من الجوارب تقاعدت بعد خدمة مخلصة وحميمة وانتظرت قيامتها الجديدة".
لاحقاً تحسنت صناعة البلاستيك وتعزز إنتاجه. تقول فرينكل إن العمليات مثل القولبة بالحقن جعلت من الممكن إنتاج البلاستيك بكميات كبيرة. قدمت تقنية تسمى النفخ، تم اختراعها في ثلاثينيات القرن الماضي، واستندت إلى نفس مبدأ نفخ الزجاج، طريقة سريعة لتشكيل الزجاجات البلاستيكية.
مع جفاف الطلب في زمن الحرب، بدأت صناعة البلاستيك في جلب منتجاتها إلى الناس وحياتهم اليومية.
لقد قطعنا شوطاً طويلاً منذ أيام السيلولويد والباكليت. توجد اليوم عشرات الآلاف من المركبات البلاستيكية. 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.
تقول فرينكل إنه بحلول منتصف الستينيات، بدأ الباحثون في ملاحظة القطع البلاستيكية في المحيط. اليوم التلوث البلاستيكي موجود في كل مكان تقريباً، في أجزاء صغيرة تتطاير في الرياح وتصل إلى ثلوج جبل إيفرست، وتتراكم القمامة في قاع البحر.
البلاستيك هو المثال الجوهري للرحلة من أعجوبة المواد إلى الإزعاج البيئي. لكنه ليس المشكلة الوحيدة.
قال توماس لو رو، المؤرخ في المركز الوطني الفرنسي للبحوث العلمية في باريس: بحلول سبعينيات القرن الماضي أشارت المنتجات الجديدة التي تستخدم لمرة واحدة من الأقلام إلى شفرات الحلاقة والتغليف إلى سهولة الحياة، وكان من المبكر الحديث عن التخلص مما نشتريه.
سرعان ما ظهرت عواقب هذه العلاقة السهلة مع الأشياء لدينا في البيئة. إن طلبنا المستمر على الوقود الأحفوري الذي لا يستخدم فقط كوقود ولكن كمواد خام لصناعة البلاستيك، يطلق انبعاثات تساهم في تغيير مناخ الأرض.
غاز الفريون وثقب الأوزون
تم إنشاء العديد من موادنا الحديثة لحل المشكلات، كما يقول عالم الكيمياء مارك جونز. 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 الكلوروفلوروكربون ، أو CFCs باختصار، والتي صنعها الكيميائيون في عشرينيات القرن الماضي. يبدو أن تأثير هذه الجزيئات ضئيل على الكائنات الحية. يقول جونز، الذي تقاعد مؤخراً من شركة داو للكيماويات: "كان يُفترض أنها مواد آمنة بشكل لا يصدق".
لكن كان للفريون وأبناء عمومته من مركبات الكربون الكلورية فلورية عواقب غير متوقعة على الغلاف الجوي عندما هربت من أنظمة تكييف الهواء والتبريد. في الثمانينيات، اكتشف العلماء ثقباً في طبقة الأوزون يتشكل عندما ترتفع مركبات الكربون الكلورية فلورية إلى طبقة الستراتوسفير، وتتحلل وتتفاعل مع الأوزون، مما يؤدي إلى تدميره. وجد الجنس البشري نفسه في مواجهة مشكلة أخرى.
يقدم تاريخ العلم أمثلة وفيرة للحلول التي تولد مشاكل جديدة. يمكن أن تسبب مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور وهي عوازل مفيدة في الإلكترونيات، مشاكل صحية خطيرة، بما في ذلك السرطان، عندما تدخل النظام البيئي. المركبات التي تسمح للطعام بالانزلاق من أواني المطبخ من 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. يتم استخراج مكونات البطارية الأخرى، مثل الكوبالت، بطرق غير أخلاقية - في بعض الأحيان باستخدام عمالة الأطفال.
ربما تكون أكبر عواقب غير مقصودة تواجه البشرية اليوم هي تغير المناخ. الأنشطة البشرية - المصانع والتعدين وزراعة الطعام والسفر واستخدام تكييف الهواء والتدفئة للحفاظ على مناخ داخلي مريح - تسببت في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري التي أدت إلى ارتفاع درجة حرارة العالم بنحو 1.25 درجة مئوية منذ عصور ما قبل الصناعة.
من الواضح أن الكيميائيين وعلماء المواد قد ساهموا في هذه المشاكل. لكنهم سيكونون حتماً جزءاً من إيجاد الحلول أيضاً. هناك طبيعة دورية للوعد والمخاطر المتعلقة بالجزيئات والمواد الجديدة.
يقول جونز: إن تاريخ الكيمياء بأكمله يعتمد على مبدأ الخطأ والتجريب وإعادة التجريب بطرق أخرى في حركة دائمة نحو الأمام.
يقوم الكيميائيون الآن بصنع مواد بلاستيكية تتحلل بعد الاستخدام، ويمكن إعادة تدويرها بسهولة أكبر. يقوم علماء المواد بتطوير مواد غشائية أفضل لتصفية الملوثات من الماء. ينشر المهندسون مواد جديدة لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون في المداخن.
يمكن للمحفزات الجديدة القائمة على الحديد أن تحول في يوم من الأيام ثاني أكسيد الكربون الملتقط إلى وقود نفاث، مما قد يقلل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. 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 جميع مشاكلنا. اختيارات الناس مهمة أيضاً. تتطلب الموازنة بين المخاطر والمكافآت التي تأتي مع المواد الجديدة الاعتراف بالمشكلات المحتملة، واللوائح لمكافحتها، وقوة الإرادة، والتعاون، والعمل الجماعي. يحتوي التاريخ على الكثير من الدروس، ولكن لم يتضح بعد ما إذا كنا سنتعلم منها.
----