علم المواد

اختراعات: المواد

  • 
اختراعات: المواد // صورة: © David Trood / gettyimages.de

اختراعات: المواد // صورة: © David Trood / gettyimages.de
    كارل تسيجلر، 1895-1973، كيميائي وحاصل على جائزة نوبل.


    »بدأت مثل الرحالة الذي تنطلق رحلته في بلد غريب«.


    كثيراً ما وصف كارل تسيجلر مشروع حياته بالرحلة الطويلة ذات المخرج المجهول. والبلد الغريب الذي يبحث فيه ويستكشفه هي الكيمياء بين المعادن ومركبات الكربون. تُساعد أبحاثه في الإنتاج الشامل من المواد البلاستيكية مثل البولي إثيلين (متعدد الإثيلين) والبولي بروبلين (متعدد البروبلين). وقد حصل في عام 1963 على جائزة نوبل في الكيمياء عن هذه الأبحاث.
    اختراعات: المواد // صورة: © David Trood / gettyimages.de


    مطاط من الحقول

    بدلة الغطس، الإطارات المطاطية، السدادات المطاطية – يحتوي أكثر من 40 ألف منتج يومي على المطاط (كاوتشوك)، الذي يُستخرج عادةً من لثي شجرة الكاوتشوك. ولكن نظراً لنمو هذه الأشجار في المناخ الاستوائي فقط، فقد قام الكيميائي الألماني فريتز هوفمان بتطوير الكاوتشوك الصناعي أثناء الحرب العالمية الأولى. واليوم يُصنع الكاوتشوك ، أو المطاط، غالباً من المواد النفطية.

    قد تكون الإطارات المطاطية قريباً أول مُنتج صناعي المصنوع من الطرخشون المخزني، ولكن هناك مصادر أخرى لديها قابلية لذلك مثل الطرخشون الروسي الذي يحتوي لثيه هو الآخر على الكاوتشوك. يعمل باحثو فراونهوفر حالياً بالاشتراك مع شركة كونتينينتال لصناعة الإطارات على بناء وحدة تجريبية لصناعة كميات كبيرة من الكاوتشوك المُستخرج من الطرخشون.
    » إلى فيديو "الكاوتشوك الطبيعي المُستخرج من الطرخشون المخزني"


    الطرخشون الروسي (Taraxacumkoksaghyz) يوفر الكاوتشوك الطبيعي

    قد تكون الإطارات المطاطية قريباً أول مُنتج صناعي مصنوع من الطرخشون المخزني

      الصلب المُفصَل

      لايجوز تعميم مفهوم الصلب، فالتوربينة عليها أن تتحمل قوى مختلفة عن هيكل سيارة أو دعامة الجسر. ولكي تكون كفاءة مكونات البناء مناسبة مع المتطلبات المُحددة يستلزم الأمر الصلب الخاص لذلك، والمتوفر منه 2500 حتى الآن.

      الحديد هو دائماً المكون الأساسي. يكتسب الصلب خصائصه المختلفة عن طريق إضافة العناصر الدخيلة مثل المنجنيز والنيكل والكروم التي تؤثر فيه فتجلعه على سبيل المثال خفيف الوزن أو متيناً أوقابلاً للمد. ويستطيع العلماء بواسطة برامج الكمبيوتر محاكاة وتحسين هذه الخصائص، فيصبح عمر التوربينة أطول وتصبح الطائرات أخف والسيارات أءمن.

      اعتقد المتخصصون حتى وقت قريب أن التطور في مجال الصلب قد وصل إلى نهايته، ولكن تكنولوجيا الصلب الابتكارية التجديدية للباحثين الألمان في مجال المواد تظهر العكس.


      الخلائط المعدنية بالإضافات المختلفة تُحسن من خصائص الصلب

      اليوم يتم تحسين الصلب ليتناسب مع جميع الاستخدامات والأغراض مثل توربينات الطائرات

        الكربون يدخل في صناعات عديدة

        الخوذات، والدراجات، ومضارب التنس وأيضاً الطائرات وسيارات سباق فورميل 1 (Formel 1) لابد أن تكون خفيفة الوزن وفي نفس الوقت متينة بدرجة عالية، ويسمح بذلك البوليمر المدعم بألياف الكربون (CFKs). والأمر السلبي في ذلك هو أن العديد من خطوات العمل لابد أن تُنجز يدوياً مما يرفع سعر المُنتج.

        يعمل باحثو المواد الألمان مع متخصصين في مجال صناعة السيارات على تطويرعملية إنتاج جديدة من شأنها جعل سعر البوليمر المدعم بألياف الكربون مناسباً. تستطيع الماكينات تضفير الألياف وتشكيلها وتغليفها بالراتنج. تزن الأجزاء الجاهزة نصف وزن الصلب فقط وهي آمنة ضد الصدمات وغير قابلة للصدأ. ويعد البوليمر المدعم بألياف الكربون مادة مثالية للطائرات والسيارات الموفرة لأن استهلاك الوقود يقل مع نقصان الوزن.


        تخفض عملية الانتاج الحديثة من سعر البوليمر المدعم بألياف الكربون ليصبح سعره مناسباً

          تأثير اللوتس

          أوراق زهرة اللوتس دائماً ما تكون نظيفة لذلك يُمثل هذا النبات في مناطق عديدة رمزاً للطهارة والنظافة المُطلقة. لهذه الأسطورة خلفية علمية تفي بأن الماء لايستطيع بلل الأوراق لأنه يُصد ويُطرد بسرعة مصطحباً معه القذارة من فوق سطح الأوراق. تَوَصَل عالم النباتات الأماني فيهيلم بارتهولت في السبعينيات إلى السبب، حيث رأى أن أسطح الأوراق ليست ناعمة وإنما مكسية بالبنيات الدقيقة.

          يستغل الباحثون والباحثات حالياً تأثير اللوتس في تطوير أسطح طاردة للماء والزيت وأيضاً الدماء. ويكمن هدف العلماء في الحصول على خلايا شمسية ذات تنقية ذاتية وزجاج نوافذ طارد للقذارة وآلة للقلب والرئة أكثر فعالية.


          لايجد الماء ثبات على أوراق زهرة اللوتس

          يستخدم طلاء النانو تأثير اللوتس: يُصد و يُطرد الماء مصطحباً معه القذارة

            الملابس الذكية

            طُورَت سترة رجال الإطفاء المزودة بأجزاء إلكترونية في مشروع بحثي تابع للحكومة الألمانية. فلاتقتصر خصائص هذه السترة على الحماية من الحرارة الشديدة فقط بل يمكنها أيضاً أثناء المهمة تحديد موقع رجل الإطفاء ونبضات قلبه ودرجة حرارة جسمه. وعند الضرورة تقوم السترة الذكية بطلب المساعدة بصورة موثوق بها.

            وغير أن الملابس الذكية تساعد في حالات الطوارئ فلها استخدامات أخرى، حيث يقوم القميص الرياضي الذكي، الذي يعمل باحثو فراونهوفرعلى تطويره، بقياس التنفس والنبض، وبذلك يمكن للرياضي تحسين تمريناته.


            الملابس "الذكية" تستطيع إنقاذ حياة الإنسان

              البلاستيك في كل مكان

              عربة الأطفال وجردل التنظيف والأنبوب وأكياس القمامة وزراعة العظام – بداية من المنتجات ذات التكنولوجيا العالية حتى الأشياء العادية اليومية - فالبولي إثيلين أكثر المواد البلاستيكية استخداماً، فهو يتمتع بمتانة عالية ولايتأثر بالمواد العنيفة كما أنه يتحمل التقلب الشديد في درجة الحرارة.

              اكتشف كارل تسيجلر الباحث بمعهد ماكس بلانك عام 1953 كيفية تصنيع البولي إثيلين بسرعة وبتكلفة بسيطة. وتلخص اكتشافه في الآتي: يتحول غاز الإثيلين إلى بولي إثيلين في درجة حرارة الغرفة وضغط الهواء الطبيعي عند إضافة مركبات معدينة مُعينة، تمسى بمحفزات تسيجلر وناتا. يُمثل هذا الاكتشاف شرطاً للإنتاج الشامل . ولكن لمتانة البولي إثيلين جوانب سلبية، حيث أن الأكياس البلاستيكية تتسبب في زيادة جبال القمامة على مستوى العالم وبالتالي تُرهق البيئة. سوف يستغرق الأمر أكثر من قرن من الزمن حتى تختفي أكياس التسوق بالكامل مثلاً.


              جائزة نوبل في الكيمياء عام 1963: ملك السويد جوستاف السادس أدولف يهنئ كارل تسيجلر (على اليمين)
                يمكنك التعرف على المزيد من الاختراعات في المجالات الآتية: