Apie geležį, bronzą ir kitas medžiagas, suvaidinusias svarbų vaidmenį žmonijos istorijoje

Akmuo

Pavyzdžiai: akmeniniai įrankiai ir įnagiai, pagaminti, naudojant akmeninius instrumentus.

Tinkamus įrankius dirbinti tinka ne visi akmenys. Idealus kandidatas turi būti kietas, nuoskilos kraštas – aštrus, o pats jis nebūtų linkęs skilti.

Senovės žmonės vertino akmens kietumą: akmeniniais įrankiais apdirbdavo medieną, naudojo kaip arklą ir ginklą. Tačiau akmuo neatsparus skilimui, todėl akmeniniai įnagiai neilgaamžiai.

Įrankius žmonės gamindavosi iš įvairių akmenų tipų. Plačiausiai naudotas titnagas, o vulkaninguose rajonuose buvo populiarus obsidianas. Kai kuriose seniausiose kapavietėse randama kalnų krištolo kristalų, kas liudija, kad žmonės mineralais domėjosi ir juos rinko jau labai seniai.

Bronza

Pavyzdžiai: bronzos skulptūros, kalavijai, kinžalai, ceremonijų ir kulto objektai.

Metalai nepalyginamai atsparesni skilimui, nei akmenys. Kai žmonės išmoko lieti bronzą, jie gavo ilgaamžiškesnius įrankius, kurie, kitaip nei akmeniniai, po kelių panaudojimų neskyla ir netrupa. Žmogaus gyvenime atsirado naujos veiklos rūšys ir profesijos: metalų išgavimas ir liejimas, kaldymas ir graviravimas. Nauji meistrai gamino papuošalus, aprangos elementus, ginklus, šarvus, buities ir žemdirbystės instrumentus. Bronza žmonių rankose sukūrė naujas rinkas, kas augino tarptautinę prekybą ir kūrė naujus kultūrinius ryšius — bronzos gaminiai buvo eksprtuojami į regionus, kur jie nebuvo gaminami.

Bronzos atradimas – vienas iš netrivialiausių žmonijos atradimų. Mat bronza yra vario lydinys su alavu. Varis gamtoije gan plačiai paplitęs, o štai alavas yra retesnis, gamtoje randamas ne grynas ir ne ten, kur randamas varis. Pagrindinis alavo šaltinis yra mineralais kasiteri tas (SnO₂), iš kurio išgauti alavą visai ne paprasta, o pagrindinė ir kone vienintelė kasiterito radimvietė Senovės pasaulyje buvo šiuolaikinės Anglijos teritorijoje, labai toli nuo tuometinių civilizacijos centrų.

Mino civilizacija priskiriama Kretos salos bronzos amžiaus Egėjo civilizacijai (2700—1400 m.p.m.e. ). Svarbiausi jos židiniai buvo Knose, Feste, Zakrose ir Tilise.

Geležis

Pavyzdžiai: geležiniai ginklai, nerūdijantys peiliai, indai.

Po bronzos žmonės išmoko lydyti geležį. Geležis gamtoje labai išplitusi, o ir gryna, ir jos lydiniai yra stipresni už bronzą ir atsparesni skilimui, todėl laikui einant, geležiniai įnagiai išstūmė bronzinius. Geležies ir jos lydinių problema – jie rūdija, koroduoja. Ir žmonija iki šiol nerado universalaus jos sprendimo. Iš geležies žmonės sugebėjo pagaminti ne tik gerokai efektyvesnius darbo įrankius, bet ir mirtinesnius ginklus.

Galima būtų sakyti, kad po geležies amžiaus buvo garo amžius, paskui elektros. Tačiau tuo metu dominuojančia medžiaga tebeliko geležies lydiniai — tarkime plienas ir ketus. Paaiškėjo, kad plieno savybes galima labai stipriai pakeisti netgi nedideliais legiruojančių elementų kiekiais ir lydinio bei gaminių iš jo ruošimo proceso pakeitimais. Yra daugybė įvairies tikslams skirtų plieno rūšių.

Plienas — geležies lydinys su anglimi (ir kitais elementais), kuriame ne mažiau, nei 45％ geležies, ir kuriame anglies yra nuo 0,02 iki 2,14％. Anglis lydiniams suteikia tvirtumą ir kietumą, mažindama plastiškumą ir valkšnumą.

Garsios plieno rūšys yra bulatas ir Damasko plienas, naudojamos Artimuosiuose Rytuose, nuo Sirijos iki Indijos. Apie šiuos lydinius sklando legendos. Ir jeigu bulatą — taip sutelktinai vadinami kieti ir valkšnūs geležies ir anglies lydiniai — atkurti pavyko, visų Damasko plieno gamybos niuansų nežinome iki šiol: XVIII amžiuje jos lydymo paslaptis išnyko.

Polimerai

Pavyzdžiai: plastikas, polietilenas, kevlaras.

Trečiame-ketvirtame XX amžiaus dešimtmetyje prasidėjo polimerų era. Mūsų gyvenimas be plastikų, gumų ir panašiai – neįsivaizduojamas. Šių medžiagų era tęsėsi iki kompiuterių revoliucijos, tačiau ir dabar jų vaidmuo mūsų gyvenime – milžiniškas (mes ir patys esame sudaryti iš polimerų!). Polimerų sintezė pasirodė esanti itin nepaprasta užduotimi, su kuria mokslininkai puikiai susidorojo prieš 100 metų.

Polimerai unikalūs kelių priešingų savybių deriniu. Iš vienos pusės, polimerų pagrindą sudaro ilgos organinių blokų su labai stipriais ryšiais — jiems priklauso, pavyzdžiui ryšys „anglis — anglis“, — besitęsiančiais per tūkstančius atomų. Šie ryšiai labai tvirti, vien iš stipriausių, kokie tik įmanomi tarp cheminių elementų atomų. Todėl tokią polimerinę grandinę nutraukti nelengva.

Iš kitos pusės, šios grandinės lanksčios. Ir priklausomai nuo šių grandinių išsidėstymo, galima gauti pasiekti absoliučiai skirtingus rezultatus. Jei polietileno grandinės susipainioja tarpusavyje ir susidaro netvarkinga struktūra, tai gaunamas įprastas polietilenas — toks, kaip polietileno maišelyje. Medžiaga lanksti, tačiau ne itin tvirta.

Jeigu labai ilgas polietileno grandines išdėliosime kitaip, kad jos nesusiveltų į gniutulą, o eitų lygiagrečiai ir formuotų tvarkingą kristalą, bus gautas fenomenaliai stiprus polimeras — ultra aukštos molekulinės masės polietilenas, ir jis naudojamas nuo vamzdžių iki neperšaunamų liemenių. Kitas unikalus polimeras — kevlaras — neperšaunamoms liemenėms naudojamas jau seniai.

Aukštos kokybės ir kristališkumo, labai ilgų grandinių polietilenas — ultra aukštos molekulinės masės polietilenas — yra ne tik labai tvirtas, bet ir neįtikėtinai laidus šilumai. Teoriniai skaičiavimai ir netgi pirmieji eksperimentai rodo, kad tokio polietileno šiluminis laidumas prilygsta metalų laidumui. Jei tai bus patvirtinta, ši superlengva ir stipri, puikaus šiluminio laidumo medžiaga bus naudojama daug kur, iš dalies galinti pakeisti metalus.

Silicio puslaidininkiai

Pavyzdžiai: tranzistoriai, kompiuteriai, kompiuterių mikroprocesoriai ir saulės baterijos.

Labiausiai paplitęs silicio puslaidininkio pavyzdys — tranzistorius. Už jo išradimą amerikietis fizikas Johnas Bardeenas su kolegomis 1956 m. buvo apdovanotas Nobelio premija.

Pirmieji tranzistoriai buvo ne silicio, o germanio, su kuriuo pasirodė dirbti sunku. Negana to, jis retas ir brangus, labai jautrus paviršiaus oksidavimuisi. Dėl to nemenka pagamintų tranzistorių dalis neveikia. Norėdami suprasti, kodėl vieni germanio tranzistoriai veikia, o kiti ne, mokslininkai ištyrė jo paviršiaus struktūrą ir sudėtį. Tam teko sukurti naujus eksperimentinius metodus ir išvystyti teorijas, o taip pat tobulinti kristalų apdorojimo metodus. Taip tranzistoriuose pasirodė silicis, kuris pasirodė daug lengviau apdorojamas. Tačiau tam teko neįtikėtinai kruopščiai išvalyti jį nuo priemaišų. Dabar įmanoma gaminti silicį, kuriame priemaišų praktiškai nėra, ir ši užduotis itin sudėtinga, su kuria susidorojo mokslininkai, ir dabar stulbinamo grynumo silicio monokristalų gamyba — rutina. Dabar silicio monokristalus galima auginti praktiškai visai be priemaišų, ir pridedant įvairius elementus.

Dabar silicis visur: kiekviename telefone, kompiuteryje, planšetėje. Ir nepanašu, kad žmonės silicį sugebės pakeisti kuo kitu. Apie optinius, įvairius kvantinius kompiuterius kalbama jau seniai, tačiau ne viskas taip paprasta. Dabar silicio elektronikos pozicijos labai tvirtos ir savo pozicijų nesirengia užleisti.

Silicis naudojamas saulės elementuose. Saulės energetika įsibėgėja, ypač pietiniuose regionuose, tarkime, Kalifornijoje. Jau dabar Kinijoje nemenka dalis elektros energijos generuojama saulės elementų baterijomis, o Indijoje ši niša kol kas neišvystyta, tačiau akivaizdu, kad ji vystysis vis labiau. Prognozuojamam kad iki 2050 metų 16％ elektros energijos žmonija išgaus saulės baterijomis, tai yra, siliciu.

Tačiau silicis dėl savo elektronų sandaros Saulės šviesą sugeria silpnai. Norint žymią dalį Saulės šviesos konvertuoti į elektros energiją, tenka naudoti gan storus silicio sluoksnius, o tai nepatogu: tokių elementų baterijos palyginus gremėzdiškos ir trapios, kas riboja panaudojimo sferą. Bet jau egzistuoja kitos medžiagos — pavyzdžiui, Saulės šviesa efektyviau sugeriantys hibridiniai perovskitai. Juos galima naudoti fotovoltinėse baterijose, padengiant paviršius plonu sluoksniu, kaip nudažant namo sieną. Dabar šios medžiagos visame pasaulyje aktyviai tiriamos, tačiau praktiškai kol kas nenaudojamos, nes palyginus greitai suyra. Šia prasme silicio pozicija, aiškus daiktas, naudingesnė.

Anksčiau ar vėliau fotovoltinėse baterijose silicį pakeis efektyvesnės medžiagos. Tikėtina, ir elektronikoje silicis savo pozicijas kada nors užleis kitoms, įdomesnėms kryptims. Gal tai bus optiniai kompiuteriai ar dar kas. Mes to nežinome, bet gyvenimas vietoje nestovi. Mokslo ir technologijų progresas vis spartėja; tarp dviejų ankstesnių medžiagų revoliucijų — polimerų ir silicio — tepraėjo keli dešimtmečiai. Ir per kitus kelis dešimtmečius veikiausiai atsiras medžiaga, visiškai pakeisianti mūsų gyvenimo sanklodą.

Silicis — nemetalas, antrasis pagal paplitimą cheminis elementas Žemės plutoje (po deguonies). Itin svarbus šiuolaikinėje elektronikoje.