من الزجاج والصلب إلى المعادن الأرضية النادرة ، تغيرت مواد جديدة المجتمع عبر التاريخ

تعتمد العديد من الأجهزة الحديثة – من الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر إلى السيارات الكهربائية وتوربينات الرياح – على مغناطيس قوي مصنوع من نوع من المعادن يسمى الأرض النادرة. نظرًا لأن الأنظمة والبنية التحتية المستخدمة في الحياة اليومية قد تحولت إلى الرقمية وانتقلت الولايات المتحدة نحو الطاقة المتجددة ، فقد أصبح الوصول إلى هذه المعادن أمرًا بالغ الأهمية – ونمت الأسواق لهذه العناصر بسرعة.

يستخدم المجتمع الحديث الآن مغناطيسات أرضية نادرة في كل شيء بدءًا من الدفاع الوطني ، حيث تعتبر الأنظمة القائمة على المغناطيس جزءًا لا يتجزأ من توجيهات الصواريخ والطائرات ، إلى انتقال الطاقة النظيفة ، والتي تعتمد على توربينات الرياح والسيارات الكهربائية.

النمو السريع لتجارة المعادن الأرضية النادرة وتأثيراتها على المجتمع ليست هي دراسة الحالة الوحيدة من نوعها. على مر التاريخ ، شكلت المواد بهدوء مسار الحضارة الإنسانية. وهي تشكل الأدوات التي يستخدمها الناس ، والمباني التي يسكنها ، والأجهزة التي تتوسط في علاقاتهم والأنظمة التي تنظم اقتصادات. يمكن للمواد المكتشفة حديثًا أن تؤثر على تأثيرات تموج التي تشكل الصناعات ، وتحول الأرصدة الجيوسياسية وتحول العادات اليومية للأشخاص.

علم المواد هو دراسة الهيكل الذري والخصائص ومعالجة وأداء المواد. من نواح كثيرة ، علم المواد هو تخصص في النتيجة الاجتماعية الهائلة.

كعالم مواد ، أنا مهتم بما يمكن أن يحدث عندما تصبح مواد جديدة متاحة. تعد كل من المغناطيسات الأرضية والفولاذ والنادرة أمثلة على كيفية قيام الابتكار في علوم المواد بتغيير التكنولوجيا ، ونتيجة لذلك ، شكلت الاقتصادات العالمية والسياسة والبيئة.

العدسات الزجاجية والثورة العلمية

في أوائل القرن الثالث عشر ، بعد إقالة القسطنطينية ، غادر بعض صانعي الزجاج البيزنطيين الممتازين منازلهم للاستقرار في البندقية – في ذلك الوقت مركز اقتصادي وسياسي قوي. رحب النبلاء المحليين بالأواني الجميلة لصانعي الزجاج. ومع ذلك ، لمنع الأفران الزجاجية من التسبب في حرائق ، نفي النبلاء صانعي الزجاج – تحت عقوبة الموت – إلى جزيرة مورانو.

أصبح مورانو مركزًا للحرف الزجاجية. في القرن الخامس عشر ، جرب صانع الزجاج Angelo Barovier إضافة الرماد من النباتات المحروقة ، التي تحتوي على مادة كيميائية تسمى Potash ، إلى الزجاج.

قللت البوتاس من درجة حرارة الانصهار وجعلت الزجاج السائل أكثر مرونة. كما ألغت الفقاعات في الزجاج وتحسين الوضوح البصري. تم استخدام هذا الزجاج الشفاف لاحقًا في تكبير العدسات والنظارات.

جعلت مطبعة يوهانس غوتنبرغ المطبعة ، التي تم الانتهاء منها في عام 1455 ، القراءة في متناول الناس في جميع أنحاء أوروبا. مع الأمر ، جاءت حاجة إلى نظارات القراءة ، والتي أصبحت شعبية بين العلماء والتجار ورجال الدين-وهو ما يكفي أن صناعة المشهد أصبحت مهنة راسخة.

بحلول أوائل القرن السابع عشر ، تطورت العدسات الزجاجية إلى الأجهزة البصرية المركبة. أشار غاليليو غاليلي إلى تلسكوب نحو أجساد سماوية ، بينما اكتشف أنتوني فان ليوينهويك الحياة الميكروبية مع المجهر.

كانت الأدوات القائمة على العدسة تحويلية. أعادت التلسكوبات تعريف وجهات النظر الكونية طويلة الأمد. فتحت المجاهر مجهريًا جديدًا تمامًا في علم الأحياء والطب.

تميزت هذه التغييرات فجر العلوم التجريبية ، حيث أدت الملاحظة والقياس إلى خلق المعرفة. اليوم ، يواصل تلسكوب جيمس ويب للفضاء ومرصد فيرا سي روبن تلك الموروثات المبكرة لإنشاء المعرفة.

الصلب والإمبراطوريات

في أواخر القرنين الثامن عشر والتاسع عشر ، خلقت الثورة الصناعية الطلب على مواد أقوى وأكثر موثوقية للآلات والسكك الحديدية والسفن والبنية التحتية. المواد التي ظهرت كانت الصلب ، وهو قوي ودائم ورخيص. الصلب عبارة عن مزيج من الحديد في الغالب ، مع إضافة كميات صغيرة من الكربون والعناصر الأخرى.

كانت البلدان التي لديها تصنيع فولاذي على نطاق واسع في ذات مرة قوة اقتصادية وسياسية ضخمة وتأثير على القرارات الجيوسياسية. على سبيل المثال ، كان البرلمان البريطاني يهدف إلى منع المستعمرات من التصدير الصلب النهائي مع قانون الحديد لعام 1750. لقد أرادوا الحديد الخام للمستعمرات كعرض لصناعة الصلب في إنجلترا.

اخترع بنيامين هنتسمان عملية صهر باستخدام سفن خزفية طويلة طولها 3 أقدام ، والتي تسمى البوتقات ، في شيفيلد في القرن الثامن عشر. أنتجت عملية Huntsman Crucible فولاذية عالية الجودة للأدوات والأسلحة.

بعد مائة عام ، طور هنري بيسمر عملية صناعة الفولاذ التي تهب الأكسجين ، مما زاد بشكل كبير من سرعة الإنتاج وخفض التكاليف. في الولايات المتحدة ، أنشأت أرقام مثل أندرو كارنيجي صناعة واسعة تستند إلى عملية Bessemer.

حول توافر الصلب على نطاق واسع كيف أن المجتمعات التي بنيت وسافر ودافعت عن نفسها. سمحت ناطحات السحاب وأنظمة العبور المصنوعة من الفولاذ بالمدن بالنمو ، والبارزينات التي تم إنشاؤها في الصلب وخزانات تمكين الجيوش ، وأصبحت السيارات التي تحتوي على الفولاذ أساسية في حياة المستهلك.

السيطرة على الموارد الفولاذية والبنية التحتية جعلت الصلب الأساس للسلطة الوطنية. ارتفاع الصين في القرن الحادي والعشرين إلى هيمنة الصلب هو استمرار لهذا النمط. من عام 1995 إلى عام 2015 ، زادت مساهمة الصين في إنتاج الصلب العالمي من حوالي 10 ٪ إلى أكثر من 50 ٪. استجاب البيت الأبيض في عام 2018 مع تعريفة ضخمة على الصلب الصيني.

المعادن الأرضية النادرة والتجارة العالمية

في أوائل القرن الحادي والعشرين ، خلق تقدم التقنيات الرقمية والانتقال إلى الاقتصاد القائم على الطاقات المتجددة طلبًا على عناصر أرضية نادرة.

العناصر الأرضية النادرة هي 17 عنصرًا متشابهًا كيميائيًا ، بما في ذلك النيوديميوم ، و dysprosium ، والسماريوم وغيرها. تحدث في الطبيعة في الحزم وهي المكونات التي تجعل المغناطيس قويًا ومفيدًا. فهي ضرورية للمحركات الكهربائية عالية الكفاءة وتوربينات الرياح والأجهزة الإلكترونية.

بسبب تشابهها الكيميائي ، فإن فصل وتنقية العناصر الأرضية النادرة ينطوي على عمليات معقدة ومكلفة.

تسيطر الصين على غالبية قدرة معالجة الأرض النادرة العالمية. التوترات السياسية بين البلدان ، وخاصة حول التعريفات التجارية والمنافسة الاستراتيجية ، يمكن أن تخاطر بالنقص أو الاضطرابات في سلسلة التوريد.

توضح قضية المعادن الأرضية النادرة كيف يمكن لفئة واحدة من المواد أن تشكل السياسة التجارية والتخطيط الصناعي وحتى التحالفات الدبلوماسية.

يبدأ التحول التكنولوجي بالضغط المجتمعي. مواد جديدة تخلق فرصًا لتحقيق الاختراقات العلمية والهندسية. بمجرد أن تثبت المادة مفيدة ، تصبح منسوجة بسرعة في نسيج الحياة اليومية والأنظمة الأوسع. مع كل ابتكار ، يعيد العالم المادي بمهارة العالم الاجتماعي – إعادة تعريف ما هو ممكن ومرغوب فيه وطبيعي.

إن فهم كيفية استجابة المجتمعات للابتكارات الجديدة في علوم المواد يمكن أن يساعد المهندسين والعلماء اليوم في حل الأزمات في الاستدامة والأمن. كل قرار تقني ، في بعض النواحي ، هو قراري ، وكل مادة لها قصة تمتد إلى ما هو أبعد من بنيتها الجزيئية.

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: بيتر مولنر ، جامعة ولاية بويز

اقرأ المزيد:

قامت المؤسسة الوطنية للعلوم ، ووزارة الطاقة ، ناسا ، وغيرها من الوكالات الوطنية والإقليمية بتمويل أبحاث سابقة لبيتر مولنر.