تويت
لا تجد الألومنيوم فقط في الثلاجة مُغَلِفًا بقايا طعام الأسبوع الماضي، فإنّ هذا العنصر هو ثاني أكثر العناصر وفرةً في قشرة الأرض من بعد السيليكون، حيث أنّه يستخدم في علب الصودا والعلب الأخرى في الطيارات والسيارات وحتى في الآيفون 6 الأنيق أيضًا.
كمية الألومنيوم الكبيرة – والتي تكوّن 8% من وزن قشرة الأرض – طبقًا لجامعة ويسكونسن تجعل الحصول عليه أمرًا سهلًا. والألومنيوم يتميز بخفة الوزن – حيث يعادل وزنه ثلث وزن الحديد والنحاس – طبقًا لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية ويسهل تشكيله وإعادة تدويره ويقاوم التآكل ويتحمل الاستعمال المتكرر أيضًا.
الأمر الطريف حول الألومنيوم هو أنّه ليس مفيدًا للغاي، حيث يتأكسد هذا المعدن أو يخسر الإكترونات بكل سهولةٍ، وهو نفس التفاعل الذي يؤدي إلى صدأ الحديد. ولكنّ ناتج هذا التفاعل ليس مثل أكسيد الحديد الهش، حيث أنّ أوكسيد الألمنيوم يلتصق بالمعدن الحقيقي ويحميه من المزيد من التآكل، طبقًا لجامعة ويسكونسن.
حقائق
* العدد الذري (عدد البروتونات في النواة): 13
* الرمز الذري (على الجدول الدوري للعناصر) : AL
* الوزن الذري (متوسط كتلة الذرة) : 26.9815386
* الكثافة: 2.70 غرام في السنتيمتر المكعب
* الحالة في درجة حرارة الغرفة: صلب
* درجة إنصهاره: 1,220.5 درجة فهرنهايت (660.32 درجة سيليزية)
* درجة غليانه: 4,566 فهرنهايت (2,519 درجة سيليزية)
* عدد النظائر (ذرات لنفس العصر ولكنها تحتوي على عددٍ مختلفٍ من النيوترونات): 22، وواحد منها هو المستقر
* النظائر الأكثر شيوعًا: AL-27 (مستقر) وAL-26 (مشع، وعمر النصف 730,000 عام)
المعدن المعجزة
يتشكل الألومنيوم في النجوم من تفاعل اندماج يلتقط فيه المغنيسيوم بروتونًا إضافيًا، طبقًا لموقع Chemicool، وهو موقع انشأه ديفيد د. هسو من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والألومنيوم غير موجودٍ بهيئةٍ نقيةٍ في الطبيعة، ولكن يوجد الألومنيوم غالبًا في قشرة الأرض على هيئة شب (كبريتات الألومنيوم البوتاسيوم).
أول من تمكن من استخراج الألومنيوم من الشب هو الكيميائي الدنماركي هانس كريستن أويرستد عام 1825، طبقًا لمنشأة توماس جيفرسون الوطنية للتعجيل. لاحقًا، قام العلماء بإعادة عملية اشتقاق الألومنيوم من الشب، غير أنّهم لم يستطيعوا خفض السعر لمستويات العملية.
لعقود من الزمن كان الألومنيوم أغلى من الذهب، حيث قدم نابليون الثالث الرئيس الأول للجمهورية الفرنسية الثانية عام 1848 الطعام لضيوفه المهمين بأدوات مائدةٍ مصنوعة من الألومنيوم، لأنه كان معدنًا نادرًا للغاية. كما قيل بأن نابليون أمر بصنع لعبة تحدث صوتًا عند تحريكها لابنه من الألومنيوم، طبقًا لمقال نشر عام 1911 في مجلة Good Housekeeping.
أخيرًا اخترع المهندس الفرنسي بول هيرلوت والكيميائي من أوبرلين جارليس هال كلًا منهما بصورةٍ مستقلةٍ عمليةً يذوب فيها أكسيد الألومنيوم في كريوليت (فوريد الصوديوم الألومنيوم) ومن ثم يُعَرَض إلى شحنةٍ كهربائيةٍ طبقًا لجمعية الكيمياء الأمريكية. لا تزال طريقة هال-هيرولت تستخدم في صنع الألومنيوم حتى اليوم جنبًا إلى جنب مع طريقة باير، والتي تقوم بإستخراج الألومنيوم من خام البوكسيت، طبقًا لما ذكرته الجمعية الأمريكية للكيمياء.
الصيغة الوحيدة المستقرة للألومنيوم هي Al-27؛ ومعظم النظائر لديها عمر نصف مقارب للميلي ثانية، مما يعني أنها ستنتهي بلمح البصر. ولكن النظير المشع Al-26 لديه عمر نصف مقارب لـ 730,000 عامٍ. هذا النظير موجود في النجوم المتكونة في المجرة طبقًا لدراسة نشرت في كانون الثاني 2006 في دورية Nature. في هذه الدراسة استخدم باحثو ناسا انفجاراتٍ قابلةً للكشف عن النظير Al-26 لتحديد المستعرات العظمى، وباستخدام هذه الدلائل قدر العلماء بأنّ المستعر الأعظم يحدث كل 50 عامًا كمعدل في مجرة درب التبانة، وتولد سبع نجومٍ جديدةٍ كل عامٍ.
من كان يعلم؟
* الألومنيوم هو عنصر وافر: ففي عام 2012، وفقًا لوكالة حماية البيئة الأمريكية صُنِع 1.9 مليون طن من الألومنيوم للحاويات والعلب فقط، و1.7 مليون طن من الألومنيوم للأجهزة وأجزاء المركبات والمواد الصلبة الأخرى.
* تحتوي طائرة البوينغ 747 الواحدة على (أكثر من 66,000 كيلو غرام) من الألومنيوم، طبقًا لـ Chemicool.
* عندما يُضاف باودر الألومنيوم إلى اليود مع بضعة قطراتٍ من الماء سيتكوّن منظر رائع: غيوم من بخار اليود الأرجواني السام وبعدها شعلة مفاجئة، يظهر هذا التفاعل مقدار تفاعلية الألومنيوم. (لا تجرب هذا في المنزل ما لم تكن تملك مخلية الدخان).
* لا يتطلب إعادة تدوير الألومنيوم سوى 5% من الطاقة المتطلبة لاستخراجه من المادة الخام – طبقًا لوكالة حماية البيئة – حيث تم عام 2012 إعادة تدوير55% من علب مشروبات الألومنيوم.
* يعلو قمة نصب واشنطن هرم من الألومنيوم بقياس 22.6 سنتيمتر، كانت قمة الألومنيوم مانعةً للصواعق في بادئ الأمر، إلّا أنّه كان يجب تعزيزها بقضبانٍ من النحاس عندما أصبح من المعلوم أنّ القمة لوحدها لا تستطيع منع الضرر، طبقًا لدراسة نشرت عام 1955 في دورية مجتمع المعادن والفلزات والمواد.
* من الممكن ألّا تبقى علبة الكولا خارج الرف لفترةٍ طويلةٍ – طبقًا لرابطة الألومنيوم – ومن ممكن أن يستغرق الألومنيوم أقل من 60 يومًا للعودة كعلبةٍ جديدةٍ بعد عملية إعادة التدوير.
* لا يزال ما يقارب 75% من الألومنيوم الذي أُنتِجَ قيد الإستخدام بفضل عملية إعادة التدوير، طبقًا لجمعية الألومنيوم.
البحث الحالي
رُبّما كان الظهور الأكثر شهرةً للألومنيوم عام 2011 عندما لعب دورًا في جائزة نوبل في الكيمياء. الفائز في هذه الجائزة عالم المواد دانيال شيختمان من معهد إسرائيل التكنولوجي – التخنيون، والذي اكتشف أشباه البلورات – وهي تراكيب جزيئية ذات أنماط غير متكررة – وإنّ المادة التي اكتشف شيختمان من خلالها أشباه البلورات هذه كانت مزيجًا من المنغنيز والألومنيوم.
قال ليونتيان زو وهو أستاذ المواد وعلم الهندسة في جامعة ولاية شمال كارولينا: «هنالك المئات من سبائك الألومنيوم أو خلائط مع معادن أخرى في السوق، لأنّ الألومنيوم لوحده خفيف وضعيف، لذا تضاف إليه مواد أخرى لزيادة قوته».
تبنى زو وزملاؤه هذه الفكرة لأقصى حد، مكونين ألومنيوم بقوة الفولاذ طبقًا لبحثٍ نشر في Nature Communication عام 2010. عن طريق تعريض الألومنيوم الممزوج مع القليل من المغنيسيوم والزنك لضغطٍ شديدٍ وجد الباحثون أنهم قادرون على هرس حبوب الألومنيوم إلى جزيئات نانوية. تسمح الجزيئات الصغيرة للألومنيوم بالحركة، لكي لا يبقى هشًا ويُكسَر عند تعرضه للضغط مثل السيراميك إلّا أن هذه الحركة تبقى بسيطةً للغاية ولا تؤثر على صلابته.
وأضاف زو: «البنية النانوية تجعل حركة الجسم صعبةً للغاية، ولكن في الوقت ذاته، إذا قمت بتسليط قوةٍ كبيرةٍ بصورةٍ كافيةٍ، ستؤدي هذه القوة إلى الحركة».
حتى الآن، لا يستطيع الباحثون تكوين سوى كمياتٍ قليلةٍ من الألومنيوم خارق الصلابة، مما يعني أن الاستخدامات التجارية له غير متوفرةٍ حتى الآن.
في هذه الأثناء، في أوريغون يستخدم الباحثون تقنياتٍ حديثةٍ ومتطورةٍ في دراسة الألومنيوم المائي، أو مركبات الألومنيوم المتشكلة في الماء، وعلى وجه الخصوص أكسيد الألومنيوم، وأكاسيد الألومنيوم هي مركبات تحتوي على الألومنيوم والأكسجين.
قال دوغلاس كيسلر وهو مدير مركز كيمياء المواد المستدامة في جامعة ولاية أوريغون: «تستخدم أكاسيد الألومنيوم – وخاصةً التي تكون على شكل طبقاتٍ رقيقةٍ – في الصناعات المختلفة بصورة كبيرة، حيث تمثل هذه الطبقات حواجز مقاومة للخدوش والتآكل، وتستخدم أكاسيد الألومنيوم كذلك في محطات تصفية المياه لترسيب الجسيمات الصغيرة».
يحاول كيسلر وزملاؤه تحليل المحلول المشابه للحبر والذي من الممكن تسخينه وتجفيفه إلى طبقاتٍ من أكسيد الألومنيوم.
يقول كيسلر: «نحن لا نملك التقنيات الكيميائية التي تسمح لنا بوقتٍ واحدٍ تحديد كل من التركيبة والهيكل والتركيب الجزيئي لما هو موجود في هذا المحلول، لذا ما قمنا به هو استخدام تقنيات الليزر الحديثة مع عملياتٍ حسابيةٍ عالية القدرة لاستنتاج التركيبة والبنية في وقت واحد».
وأضاف كيسلر: « حالما نفهم المحلول سنتمكن من التحكم بعملية إنتاج أكاسيد الألومنيوم ونتعلم صنعها بطريقة غير مستهلكةٍ للطاقة».
أما الآن فإنّ الفريق متحمس للغاية لاستخدام هذه الطبقات في النفق الكمومي عن طريق وضع أكسيد الألومنيوم بين قطبين كهربائيين، والعلماء قريبون للغاية من جعل الإكترونات تقفز من قطب إلى آخر من دون تفاعلها، مؤديًا بصورةٍ أساسيةٍ إلى الانتقال بصورةٍ فوريةٍ من قطبٍ كهربائيّ إلى الآخر.
وكما أشار كيسلر إلى أن هذا الجهاز الذي يستخدم في النفق الكمومي من الممكن استخدامه كمفتاحٍ كهربائيٍّ رخيصٍ وفعالٍ أيضًا.