Những vật liệu định hình văn minh nhân loại

Trong tác phẩm 6 vật liệu định hình văn minh nhân loại, Ed Conway chỉ ra rằng, có những vật liệu gần như không thể thay thế trong việc giúp ta xây dựng thế giới mạnh mẽ như ngày nay - đó là cát, sắt, muối, đồng, dầu mỏ và lithium.

Chẳng hạn, tuy ít được nhắc đến, nhưng cát lại đóng vai trò quan trọng trong dòng lịch sử vì nó là nguyên liệu tạo nên sản phẩm lâu đời nhất thế giới - thủy tinh, cũng như tiên tiến nhất - vật liệu bán dẫn.

Không phải ngẫu nhiên mà những vùng đất đón nhận nghề làm thủy tinh như Ý, Hà Lan (ngày nay) lại là "địa bàn" của thời Khai sáng, sau đó là Cách mạng Công nghiệp. Nhờ sự cải tiến trong chế tạo thấu kính thủy tinh, các nhà khoa học như Robert Hooke và Antonie van Leeuwenhoek đã phát triển những kính hiển vi đầu tiên, cho phép họ quan sát một thế giới mà con người chưa từng thấy trước đó. Ngược lại, chẳng phải các khu vực không nắm được công thức làm thủy tinh từ cát như Trung Quốc và phần lớn Trung Đông cùng thời gian đó đều rơi vào tình trạng trì trệ hay sao?

Sau cát, muối là một hợp chất kỳ diệu khác - clo được sản xuất từ muối chính là nguyên liệu tối quan trọng của ngành công nghiệp hóa chất hiện đại. Sắt và đồng đóng vai trò chủ chốt trong thời đại công nghiệp và điện khí hóa, trước khi dầu mỏ trở thành nguồn năng lượng chi phối thế giới. Còn lithium là trung tâm của cuộc chuyển dịch năng lượng sắp tới với khả năng tối ưu hóa pin lưu trữ năng lượng.

Cơ duyên phát hiện ra từng loại nguyên liệu, cách chúng đóng góp vào dòng lịch sử, sự tiến bộ của xã hội và những tác động về mặt kinh tế, môi trường, địa – chính trị... được Ed Conway trình bày rất hấp dẫn.

Chẳng hạn, với thủy tinh, ông dẫn ra câu chuyện do Pliny Già, một học giả La Mã, ghi lại: khi những thủy thủ vô tình đốt lửa trên một bãi biển ngày nay là Israel để nghỉ ngơi, vì không có nơi nào để đặt nồi, họ kê chúng trên các khối natron – một dạng xà phòng sơ khai giàu natri – và là sản phẩm mà họ vận chuyển. Pliny già viết: "Khi natron bị lửa tác động, kết hợp với cát biển, thì một dòng trong suốt chảy ra. Đây, theo truyền thuyết, là nguồn gốc của thủy tinh."

Kể từ khi được phát hiện theo những cách tình cờ, cả sáu loại vật liệu nói trên đều trở nên quan trọng trong những bối cảnh cụ thể. Khi chiến tranh diễn ra, thủy tinh thành thiết yếu bởi nó là nguyên liệu làm nên kính ngắm, ống nhòm. Dầu mỏ hay khí đốt có mật độ năng lượng (lượng năng lượng có thể giải phóng ra khi đốt cháy mỗi kg nhiên liệu) cao hơn, đáp ứng tình trạng dân số tăng nhanh, nguồn năng lượng hóa thạch có hạn và mối nguy môi trường ô nhiễm cần được khắc phục. Lithium trở nên phổ biến trong công nghệ pin lưu trữ năng lượng do nó vượt xa các loại pin dựa trên chì hay cadimi trước đó.

Người ta thường ví nhiều như cát, rẻ như muối, vậy vì sao chúng ta vẫn thường nghe nói về sự khan hiếm của sáu loại vật liệu trụ cột, kể cả muối và cát?

Các nguồn vật liệu thô đều chứa nhiều tạp chất, trong khi để phục vụ cho các mục đích sản xuất, các vật liệu phải thật tinh khiết. Đơn cử, chỉ một vài loại cát có hàm lượng silica cao mới có thể làm ra thủy tinh tinh khiết dùng để chế tạo kính hiển vi hoặc các thiết bị tạo chip bán dẫn. Trong khi để sản xuất các thiết bị nhạy cảm như máy đếm Geiger - dùng để phát hiện và đo bức xạ ion hóa, đặc biệt là phóng xạ - người ta cần đến thép nhiễm bức xạ thấp...

Thứ hai, thế giới vật liệu có một mạng lưới phức tạp hơn ta nghĩ, đòi hỏi sự tham gia của nhiều quốc gia. Chẳng hạn, quặng sắt tuy được khai thác ở một nước đang phát triển, nhưng phải chuyển đến Trung Quốc để luyện thành thép, rồi vận chuyển sang châu Âu để chế tạo thành hợp kim tiên tiến, sau đó mới được dập, gia cố và tạo hình thành khung xe...

Hay với ngành sản xuất bán dẫn, khí neon cực kỳ quan trọng bởi nếu thiếu nó, việc kiểm soát bước sóng laser trong các máy quang khắc trở nên vô cùng khó khăn. Nhưng nếu trước đây các nhà máy thép của Ukraine chịu trách nhiệm sản xuất gần một nửa nguồn cung neon toàn cầu (các nhà máy này vốn có hệ thống tách khí quy mô lớn để tạo oxy luyện thép, nhờ đó có thể thu hồi neon như một sản phẩm phụ) thì khi xảy ra cuộc xung đột Nga-Ukraine, các nước bắt đầu nhận thấy mình cần tích trữ để không ảnh hưởng đến việc sản xuất chip.

Thứ ba, từ góc nhìn về vật liệu, chuỗi sản xuất các công nghiệp mũi nhọn mong manh và phụ thuộc vào địa chính trị nhiều hơn ta nghĩ. Trong sách, Ed Conway đã nêu ra những thực trạng đáng báo động khi nhiều vật liệu chỉ tồn tại duy nhất ở một địa điểm trên thế giới, và nếu xảy ra gián đoạn thì nền công nghiệp hiện đại có thể điêu đứng. Chẳng hạn, duy nhất thị trấn Spruce Pine (bang North Carolina, Mỹ) mới có thạch anh siêu tinh khiết - loại vật liệu không thể thay thế trong quá trình nung chảy dùng để sản xuất tấm bán dẫn wafer silic trong các con chip. Một ví dụ khác, khoảng 70% lượng niobium trên thế giới (nguyên tố đất hiếm giúp tăng độ cứng của thép dùng trong động cơ phản lực, đường ống, nam châm siêu dẫn, khung cầu hay khung nhà chọc trời) đến từ một mỏ duy nhất ở Brazil... Điều này cho thấy để nhân loại không ngừng tiến lên với các phát minh, thì sự hợp tác trong hòa bình là tối quan trọng và là điều kiện tiên quyết.

Thứ tư, vật liệu đóng vai trò quan trọng trong các cuộc cách mạng, từ cách mạng công nghiệp đến cách mạng năng lượng. Đơn cử, thoạt đầu, than đá và sắt thúc đẩy cách mạng công nghiệp; sau đó, dầu mỏ xuất hiện, tạo ra bước tiến lớn về mật độ năng lượng, giúp phương tiện vận chuyển đi xa hơn với lượng nhiên liệu ít hơn. Hiện tại, cuộc chuyển đổi năng lượng lần thứ tư vẫn đang diễn ra với khí đốt sẽ sớm trở thành nguồn cung cấp năng lượng chủ chốt của nhân loại.

Cuối cùng, phần lớn các quốc gia trên thế giới đều đã xác định cần bước vào cuộc chuyển đổi năng lượng lần năm với mục tiêu giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và thay thế chúng bằng các nguồn năng lượng tái tạo sạch hơn, qua đó giảm mạnh lượng phát thải carbon. Điều này có nghĩa là 6 vật liệu sẽ còn tiếp tục phát huy vai trò khi thế giới phải lắp đặt nhiều hơn nữa các tuabin gió (cần đến thép, silica và đồng), tấm pin mặt trời (đồng và silic tinh luyện), chưa kể các đập thủy điện (bê tông, cát, sắt).

Ngoài ra, để cải thiện đặc trưng gián đoạn của các năng lượng tái tạo, việc lưu trữ bằng pin (lithium) là không thể thiếu... Thế nhưng các quốc gia trong cuộc chuyển đổi lần năm không còn tự nguyện khai thác tài nguyên, xuất phát từ nhiều lý do như lo ngại ô nhiễm môi trường, muốn gia tăng vị thế trên "bàn cờ" địa chính trị..., bởi vậy kết quả chuyển đổi vẫn còn bỏ ngỏ.

6 vật liệu định hình văn minh nhân loại không có lợi thế trong việc phác họa một cách đầy đủ và chi tiết như các tác phẩm chuyên khảo viết riêng về từng loại vật liệu. Ví dụ, chương viết về muối không thể sâu sắc bằng Đời muối của Mark Kurlansky (NXB Dân trí, 2022) hay chương viết về dầu mỏ cũng không thể sánh với Dầu mỏ, Tiền bạc và Quyền lực của Daniel Yergin (NXB Thế giới, 2008). Tuy vậy, bằng cách đặt 6 vật liệu cạnh nhau trong dòng chảy lịch sử, cuốn sách tạo ra lợi thế riêng: giúp độc giả hình dung thế giới vật liệu như một bức tranh rộng lớn và sống động, được soi chiếu từ nhiều góc độ trong một cái nhìn bao quát và liên kết chặt chẽ.