 |
Thép đóng vai trò quan trọng trong Cách mạng Công nghiệp. Nguồn: The Conversation |
Nhiều thiết bị hiện đại - từ điện thoại di động, máy tính đến xe điện và tuabin gió, đều sử dụng những nam châm mạnh được làm từ đất hiếm. Trong bối cảnh chuyển đổi số và năng lượng tái tạo ngày càng phổ biến, các khoáng chất đất hiếm càng trở nên quan trọng và thị trường về các nguyên tố này đã nhanh chóng phát triển.
Xã hội hiện đại sử dụng nam châm đất hiếm trong mọi lĩnh vực, từ quốc phòng - các hệ thống sử dụng nam châm là một phần thiết yếu trong các hệ thống dẫn đường tên lửa và máy bay, cho đến quá trình chuyển đổi năng lượng sạch, phụ thuộc vào tuabin gió và xe điện.
Đất hiếm không phải là vật liệu duy nhất đã phát triển nhanh chóng và có nhiều tác động đối với xã hội. Trong suốt quá trình lịch sử, các loại vật liệu đã âm thầm định hình quỹ đạo của nền văn minh nhân loại. Chúng tạo nên các công cụ con người sử dụng, các tòa nhà nơi con người sinh sống, các thiết bị hỗ trợ kết nối giữa con người với nhau và các hệ thống cấu trúc nền kinh tế. Việc phát hiện ra các vật liệu mới có thể tạo ra hiệu ứng lan tỏa định hình các ngành công nghiệp, thay đổi cán cân địa chính trị và thói quen hằng ngày của con người.
Thấu kính thủy tinh và cuộc cách mạng khoa học
Đầu thế kỷ 13, sau khi thủ đô Constantinople của Đế quốc Byzantine bị cướp phá, một số nhà sản xuất thủy tinh Byzantine xuất sắc đã rời bỏ quê hương để định cư tại Venice – một trung tâm kinh tế và chính trị hùng mạnh vào thời điểm đó. Giới quý tộc địa phương rất ưa chuộng những đồ thủy tinh đẹp đẽ. Tuy nhiên, để ngăn chặn nguy cơ hỏa hoạn từ các lò nung thủy tinh, họ đã đày những người thợ thủy tinh ra đảo Murano.
Sau đó, Murano trở thành thủ phủ sản xuất thủy tinh. Vào thế kỷ 15, nhà sản xuất thủy tinh Angelo Barovier đã thử bổ sung tro thực vật chứa kali vào thủy tinh.
Kali giúp hạ nhiệt độ nóng chảy, khiến thủy tinh lỏng trở nên linh hoạt hơn. Nó cũng loại bỏ các bong bóng khí, cải thiện độ trong suốt của thủy tinh. Loại thủy tinh trong suốt này đã được dùng làm kính lúp và kính đeo mắt.
Khi Johannes Gutenberg sáng chế ra máy in vào năm 1455, việc đọc sách trở nên dễ dàng hơn với người dân trên khắp châu Âu. Cùng với đó là sự gia tăng nhu cầu về kính mắt để đọc sách trong giới học giả, thương gia và giáo sĩ - đến mức nghề làm kính mắt đã trở thành một nghề nghiệp chính thức.
Đến đầu thế kỷ 17, thấu kính thủy tinh đã phát triển thành các thiết bị quang học phức hợp. Galileo Galilei đã sử dụng kính thiên văn để quan sát các thiên thể, trong khi Antonie van Leeuwenhoek đã phát hiện ra sự sống của vi sinh vật bằng kính hiển vi.
Các thiết bị sử dụng thấu kính đã góp phần tạo nên các cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực. Kính thiên văn đã tái định nghĩa các quan điểm vũ trụ học lâu đời. Kính hiển vi đã mở ra những địa hạt hoàn toàn mới trong sinh học và y học.
Những thay đổi này đánh dấu sự trỗi dậy của khoa học thực nghiệm, nơi quan sát và đo lường thúc đẩy việc tạo ra tri thức. Ngày nay, Kính thiên văn Không gian James Webb và Đài quan sát Vera C. Rubin vẫn đang kế thừa di sản sáng tạo tri thức từ những chiếc kính thiên văn đầu tiên.
Thép và các đế quốc
Vào cuối thế kỷ 18 và 19, Cách mạng Công nghiệp thúc đẩy việc tạo ra những vật liệu bền chắc hơn cho máy móc, đường sắt, tàu thủy và cơ sở hạ tầng. Một loại vật liệu vừa bền vừa rẻ đã xuất hiện: thép. Thép là hợp kim của sắt, cùng một lượng nhỏ carbon và các nguyên tố khác.
Các quốc gia sản xuất thép quy mô lớn từng có sức mạnh kinh tế, chính trị và ảnh hưởng vượt trội đối với các quyết định địa chính trị. Ví dụ, Quốc hội Anh đã ban hành Đạo luật Sắt năm 1750, cấm các thuộc địa xuất khẩu thép thành phẩm, nhằm giữ nguồn sắt thô ở thuộc địa phục vụ cho ngành công nghiệp thép tại Anh.
Benjamin Huntsman đã sáng chế ra quy trình luyện kim bằng các bình gốm cao 3 feet, được gọi là nồi nấu kim loại, tại Sheffield vào thế kỷ 18. Quy trình này đã góp phần tạo ra loại thép chất lượng cao hơn để sản xuất các công cụ và vũ khí.
Một trăm năm sau, Henry Bessemer đã phát triển quy trình sản xuất thép thổi oxy (sử dụng oxy để thổi vào gang nóng chảy, làm cho sắt trong gang bị oxy hóa thành thép), giúp tăng tốc độ sản xuất và giảm chi phí. Dựa trên phương pháp của Bessemer, một số nhà công nghiệp như Andrew Carnegie đã góp phần xây dựng ngành công nghiệp thép hùng mạnh của nước Mỹ.
Sự phổ biến của thép đã dẫn đến những thay đổi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xây dựng, giao thông và quốc phòng. Các tòa nhà chọc trời và hệ thống giao thông công cộng làm bằng thép thúc đẩy sự phát triển của các thành phố, tàu chiến và xe tăng bằng thép đã củng cố sức mạnh quân đội, và thép cũng là một nguyên liệu thiết yếu để tạo ra ô tô - một trong những mặt hàng thiết yếu trong xã hội.
Việc kiểm soát cơ sở hạ tầng và tài nguyên đã biến thép trở thành nền tảng sức mạnh của các quốc gia. Sự thống trị ngành thép của Trung Quốc trong thế kỷ 21 đã tiếp nối mô hình này. Từ năm 1995 đến năm 2015, đóng góp của Trung Quốc vào sản lượng thép thế giới đã tăng từ khoảng 10% lên hơn 50%. Nhà Trắng đã đáp trả vào năm 2018 bằng mức thuế quan khổng lồ đối với thép Trung Quốc.
Kim loại đất hiếm và thương mại toàn cầu
Đầu thế kỷ 21, sự phát triển của công nghệ số và quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế dựa trên năng lượng tái tạo đã thúc đẩy nhu cầu về các nguyên tố đất hiếm.
Các nguyên tố đất hiếm là 17 nguyên tố hóa học rất giống nhau, bao gồm neodymium, dysprosium, samarium và các nguyên tố khác. Chúng tồn tại trong tự nhiên theo nhóm và là thành phần tạo nên nam châm hữu ích siêu mạnh. Đây là thành phần thiết yếu trong động cơ điện, tua bin gió và các thiết bị điện tử hiệu suất cao.
Do tính chất hóa học tương tự, việc tách và tinh chế các nguyên tố đất hiếm đòi hỏi các quy trình phức tạp và tốn kém.
Trung Quốc kiểm soát phần lớn năng lực chế biến đất hiếm trên toàn cầu. Căng thẳng chính trị giữa các quốc gia, có thể dẫn đến nguy cơ thiếu hụt hoặc gián đoạn chuỗi cung ứng đất hiếm.
Đất hiếm là một trường hợp tiêu biểu cho thấy một loại vật liệu có thể định hình chính sách thương mại, quy hoạch công nghiệp và thậm chí cả các liên minh ngoại giao như thế nào.
Quá trình chuyển đổi công nghệ bắt đầu với áp lực xã hội. Các vật liệu mới tạo ra cơ hội cho những đột phá về khoa học và công nghệ. Một khi vật liệu chứng minh được tính hữu ích, nó sẽ nhanh phổ biến trong đời sống hằng ngày và các hệ thống rộng lớn hơn. Với mỗi đổi mới, thế giới vật liệu lại tái cấu trúc xã hội một cách tinh tế - định nghĩa lại những gì khả thi, đáng mong muốn và bình thường.
Việchiểu được phản ứng của xã hội trước nhữngđổi mới trong khoa học vật liệu có thể giúp các kỹ sư và nhà khoa học ngày nay giải quyết các cuộc khủng hoảng về tính bền vững và an ninh. Theo một cách nào đó, mỗi quyết định kỹ thuật đều mang tính văn hóa, và mỗi vật liệu đều có một câu chuyện vượt xa cấu trúc phân tử của nó.
Nguồn: The Conversation, UNSW
Bài đăng KH&PT số 1359 (số 35/2025)
Ngọc Mai tổng hợp