کتاب جهان مواد و شکل گیری تمدن مدرن

در سال ۱۹۱۴ وقتی ترور فرانتس فردیناند دوک بزرگ اتریش و همسرش واکنشی زنجیره‌ای را آغاز کرد که به جنگ منجر شد شکی وجود نداشت که موفقیت از آن کدام کشور است: آلمان. در دهه‌های قبل، آلمان عرضهٔ جهانی ابزارهای نوری دقیق ــ دوربین‌های دوچشمی، تلسکوپ‌ها، پریسکوپ‌ها و فاصله‌سنج‌ها، و همچنین طیفی از عدسی‌های علمی دیگر ــ را به انحصار خودش درآورده بود. این موضوع صرفاً علمی یا اقتصادی نبود. انحصاری که آلمان در زمینهٔ تفنگ‌های دوربین‌دار ایجاد کرده بود به قدری کامل بود که در آغاز جنگ، تک‌تیراندازان این کشور را از امتیاز قابل‌توجهی برخوردار می‌کرد. سربازان متفقین دایماً مرعوب تک‌تیراندازان آلمانی‌ای می‌شدند که گویی می‌توانستند قوانین فیزیک را نقض کنند و از فاصله‌ای بسیار دور جانشان را بگیرند.

برای یک شمش طلای استاندارد (۴۰۰ اونس تروی) باید حدود ۵۰۰۰ تن خاک را استخراج کنند. این میزان تقریباً معادل وزن ۱۰ فروند ایرباس اِی ۳۸۰ است که کاملاً پر از بار باشند ــ آن هم فقط برای تولید یک شمش طلا. هواپیمای اِی ۳۸۰ بزرگ‌ترین هواپیمای مسافربری جهان است.

با توجه به این‌که همچنان مقادیر زیادی ماسه و سنگ را با انفجار از زمین بیرون می‌کشیم هنوز در عصر حجر قرار داریم؛ نیاز ما به فولاد و مس در سال‌های اخیر چند برابر شده، پس امروز عصر آهن نیز هست؛ بماند که عصر مس، نمک، نفت و لیتیوم هم می‌تواند باشد.

برمی‌گردیم به سال ۱۹۱۵ و مأموری که مخفیانه از سوی وزارت تسلیحات به سویسِ بی‌طرف اعزام شده بود. اما چرا مخفی‌کاری؟ چون از او خواسته شده بود کاری غیرعادی انجام دهد. طبق گزارش‌های رسمیِ وزارتخانهٔ این فرد، مأموریت او تهیهٔ دوربین دوچشمی از همان کشوری بود که بریتانیا با آن می‌جنگید

«حتی پس از گذشت بیش از صد سال از تولید سیلیکون، هنوز آنچه در این واکنش اتفاق می‌افتد از برخی جهات نامشخص است. این فرایند خیلی پیچیده است. واکنش‌های شیمیایی زیادی انجام می‌شود؛ همهٔ این واکنش‌ها در میدان الکتریکی بسیار قوی‌ای که در واکنش نیز تأثیر می‌گذارد اتفاق می‌افتند. صورت‌بندی مدل ریاضیِ این فرایند بسیار دشوار است.»

این‌ها جوامعی پیشرو بوده‌اند.» تاریخدانان مدت‌هاست این نظریه را مطرح کرده‌اند که دلیل پیدایش بسیاری از تمدن‌های بشری در خطوط ساحلی دسترسی آسان به نمک بوده است

همهٔ ما در سراسر جهان هنوز در مسیرهای نمک گام برمی‌داریم ــ یا در آن‌ها رانندگی می‌کنیم. بزرگراه اس‌اس ۴ که در سراسر ایتالیا از رم تا بندر آسکولی امتداد دارد در واقع روی جادهٔ رومی قدیمیِ ویاسالاریا ــ جادهٔ نمک ــ ساخته شده است.

جنگل‌های محلی به سبب تأمین سوخت تابه‌هایی که محلول نمک در آن‌ها تبخیر می‌شد برهنه شدند. برای به حداکثر رساندن استخراج آب‌نمک پمپ‌های بخار به وجود آمد. معادنی به منظور استخراج نمک خام حفر شد. در فاصلهٔ زمانی یک قرن یا بیشتر، بریتانیایی که به واردات نمک از فرانسه و آلمان وابسته بود به یکی از بزرگ‌ترین صادرکنندگان نمک در جهان تبدیل شد. کانال‌هایی برای اتصال کارخانهٔ نمک چشر به رودخانهٔ مِرزی و متصل کردن این رودخانه به بندر لیورپول ساخته شد. با گذشت زمان، لیورپول دوشادوش بریستول به یکی از بندرهای محوری در تجارت برده تبدیل شد، همان مثلث تجارت شرم‌آوری که کالاها را به آفریقا و بردگان را به آمریکا می‌برد و تنباکو و شکر به انگلستان می‌آورد.

بخش عمدهٔ بیشتر ماسه‌ها را سیلیس تشکیل می‌دهد، برخی از آن‌ها، به‌ویژه ماسه‌های زیبای سفید در سواحل استوایی، عمدتاً از چیز دیگری تشکیل شده‌اند: بقایای صدف‌ها و مرجان‌ها. در واقع اگر در ساحل بکری در دریای کارائیب یا هاوایی باشید احتمالاً پاهایتان در فضولات طوطی‌ماهی فرومی‌رود: این ماهی مرجان‌ها را می‌خورد، مواد مغذی‌شان را می‌گیرد، و کربنات کلسیم باقیمانده را در کف دریا دفع می‌کند. در بیشتر موارد هرچه ساحل سفیدتر و گرم‌تر باشد احتمال این‌که از بدن طوطی‌ماهی دفع شده باشد بیشتر است.

فیلیپ اندرسون، که در سال ۱۹۷۷ برندهٔ جایزهٔ نوبل فیزیک شد، چند دهه بعد نوشت: «عمیق‌ترین و جالب‌توجه‌ترین مسئلهٔ حل‌نشده در نظریهٔ حالت جامد احتمالاً نظریهٔ ماهیت شیشه و فرایند انتقال شیشه‌ای است.» این مسئله تا به امروز حل‌نشده باقی مانده است. (۶)

اگر برگردید و به تاریخ نگاه کنید با الگوی عجیبی روبه‌رو می‌شوید: در هر دوره‌ای قاعدهٔ کلی این بوده که قدرت اقتصادی رو به رشد مرکز ثقل جهانیِ شیشه‌سازی هم بوده است.

بخشی از ماسهٔ لوچالین به نروژ منتقل می‌شود و در ساخت کاربید سیلیکون به کار می‌رود. کاربید سیلیکون به‌سرعت در حال تبدیل شدن به یکی از مهم‌ترین مواد در برقی کردن وسایل نقلیهٔ جهان است. مبدل‌های کاربید سیلیکون می‌توانند باعث شوند خودروهایی مانند تسلا مدل ۳ مسافت بیشتری طی کنند، سریع‌تر شارژ شوند و انرژی کمتری نسبت به مدل‌های قبلی خود مصرف کنند. این مادهٔ جادویی می‌تواند نقش بسیار بزرگی در نجات سیاره داشته باشد.

یکی از اولین اقدامات جو بایدن پس از رسیدن به ریاست‌جمهوری آمریکا امضای فرمان اجرایی دربارهٔ «زنجیره‌های تأمین آمریکا» بود تا بررسی شود که ایالات متحده در چه مواردی به کشورهای دیگر متکی است. این کشور در حوزهٔ نیمه‌هادی‌ها از نظر تراشه‌های سیلیکونی ــ که در صفحات بعد با تولیدکنندهٔ آن آشنا خواهیم شد ــ و در حوزهٔ باتری‌ها از نظر مجموعه‌ای از فلزات از جمله کبالت، نیکل، روی و، از همه مهم‌تر، لیتیوم به دیگر کشورها متکی است.

عنصر بور هرگز در هیچ‌کدام از طرح‌های آمادگی برای بیماری‌های همه‌گیر برجسته نشد، اما در تلاش برای تولید و توزیع واکسن کوویدـ ۱۹ در اختیار داشتن این عنصر به مقدار کافی نقشی اساسی داشت ــ و با توجه به این‌که بور در نقاط انگشت‌شماری یافت می‌شود که فعالیت آتشفشانی و آب‌و‌هوای خشک دارند، تهیهٔ این عنصر به میزان کافی کار آسانی نبود. نزدیک به یک‌سوم ذخایر جهانی این ماده در ترکیه و مابقی ذخایر آن در بیابان‌های کالیفرنیا و مناطق خاور دور روسیه قرار دارند.

لیوان‌هایی که در آن‌ها نوشیدنی می‌نوشیم یا شیشه‌هایی که آن‌ها را در پنجره‌هایمان به کار می‌بریم معمولاً حدود ۷۰ درصد سیلیس دارند. مقدار سیلیس اُبسیدین و بیشتر تکتیت‌ها به طور کلی بین ۶۵ تا ۸۰ درصد است. از سوی دیگر، مقدار سیلیس موجود در شیشه‌های صحرای لیبی ۹۸ درصد است. این مقدار نه‌تنها شیشهٔ صحرای لیبی را به خالص‌ترین شیشهٔ طبیعی‌ای که تاکنون در جایی کشف شده بلکه به چیزی تبدیل کرده است که از هر آنچه بشر ــ حداقل در حال حاضر ــ می‌تواند بسازد خالص‌تر است.

معمای اقتصادی ماسه این است که این ماده از منظرهای خاصی بسیار گرانبهاست، به طوری که اتحادیهٔ اروپا خالص‌ترین و اصلی‌ترین اَشکالش را مادهٔ خامی حیاتی می‌داند.

در ساردِنی مسئولان مردم را به دلیل جمع کردن ماسه‌های سفید تزیینی از سواحل جریمه می‌کنند. در ساحل کلئوپاترا، خلیجی در یکی از جزایر سواحل آناتولی ترکیه، ماسه‌های فوق‌العاده سفید آن‌قدر باارزش‌اند که قبل از ترک آن‌جا باید پاهایتان را بشویید تا حتی یک دانه ماسه را هم ناخواسته با خودتان نبرید. در بخش‌هایی از آسیا اکوسیستم‌های رودخانه‌ای به دلیل لایروبی بیش از حد در معرض تهدید قرار دارند، زیرا معدن‌کاران ماسه در بازارهای خاکستری تلاش می‌کنند اشتهای ظاهراً سیری‌ناپذیر برای مصرف ماسه و سنگ‌دانه‌ها به عنوان مصالح ساختمانی را ارضا کنند. زندگی‌هایی ویران می‌شوند و محیط‌زیست در معرض تهدید قرار می‌گیرد، فقط برای رسیدن به چیزی که به نظر می‌رسد همه‌جا هست.

بخشی از چیزی که ماسه را بسیار اسرارآمیز می‌کند این است که در طبیعت هیچ دو مشتی از این ماده شبیه هم نیستند.

در طول جنگ‌های تجاری، ماسه اغلب نقش محوری داشته است. توانایی چین در تولید تراشه‌های سیلیکونیِ خاص خودش، با همان سطح از پیچیدگی فوق‌العادهٔ تراشه‌هایی که در تایوان و کرهٔ‌جنوبی تولید می‌شوند، این روزها نگرانی همیشگی واشینگتن است. آیا چین رایانه‌های کوانتومی را سریع‌تر و با موفقیت بیشتری نسبت به ایالات متحده توسعه خواهد داد؟

فرایند تبدیل ماسه به تراشه‌های سیلیکونی، همان‌طور که در ادامهٔ این بخش خواهیم دید، یکی از خارق‌العاده‌ترین شاهکارهای مهندسی است. در واقع بسیاری از فنون به‌کاررفته در ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک در مقیاس اتمی آن‌قدر دور از ذهن‌اند که تصورشان حتی برای افرادی هم که تخیل بسیار فعالی دارند دشوار است. و تا حدی هم به این دلیل که رهبران غربی برای جلوگیری از برتری یافتن چین در این فناوری از هیچ کاری فروگذار نمی‌کنند.

بدون ماسه‌های سیلیسی سیستم ریلی متوقف می‌شود یا بهتر است بگوییم نمی‌تواند متوقف شود، زیرا از این ماسه‌ها در سیستم ترمز قطارهای مدرن استفاده می‌شود.

اُتو شات شیمیدانی آلمانی بود که بیشتر عمرش را صرف آزمایش روش‌هایی برای اصلاح شیشه کرد. او عناصر جدول تناوبی را یک‌به‌یک به مخلوطی مذاب اضافه کرد تا ببیند هر کدام چه نوع اثراتی ایجاد می‌کنند. شات کسی بود که شیشهٔ بوروسیلیکاتی را اختراع کرد. امروزه هنوز از این نوع شیشه در ظروف فر و ظروف شیشه‌ای که واکسن‌های کوویدـ ۱۹ در آن‌ها حمل می‌شوند استفاده می‌کنیم. شات، کارل زایس و دانشمندی به نام ارنست آبه، که هر سه در شهر یِنا در تورینگن با هم کار می‌کردند، عموماً امروزه در زمینهٔ ساخت ابزارهای نوری دقیق از چهره‌های اصلی و شناخته‌شده‌اند.

زمانی که ناوگان بریتانیا و آلمان در نبرد یوتلاند با هم درگیر شدند. یکی از افسران انگلیسی وقتی بمب‌ها در اطراف کشتی او فرومی‌ریختند گفت «جالب» است که «سرباز آلمانی‌ای که در یکی از آن دکل‌های دور مستقر بود» ناوگان بریتانیا را «با دوربین دوچشمی زایس تحت نظر داشت و من با دوربین زایس مشابهی کشتی آن‌ها را می‌پاییدم».

وضع مالیات بر پنجره مدت‌ها قبل از رایج شدن مالیات بر درآمد صورت گرفت. دولت در تلاش برای جمع‌آوری پول استدلال می‌کرد که هر چقدر فرد وضعیت مالی بهتری داشته باشد خانه‌اش بزرگ‌تر است و پنجره‌های بیشتری دارد، بنابراین دولت بر اساس تعداد پنجره‌ها از دارایی مردم مالیات می‌گیرد. نتیجه این شد که بسیاری از صاحبخانه‌ها برای کاهش صورتحساب مالیاتی‌شان جلوِ پنجره‌های خود را تیغه کشیدند. هنوز هم می‌توانید بسیاری از این پنجره‌های «کور» را در سراسر انگلستانِ امروز ببینید.

کمتر ماده‌ای به اندازهٔ ماسه‌هایی که برای ساختن جهان اطرافمان از آن‌ها استفاده می‌کنیم نادیده گرفته می‌شود. این ماسه‌ها اساس زندگی مدرن هستند، اما به نظر می‌رسد ما آن‌قدر کم به آن‌ها توجه می‌کنیم که حتی نمی‌دانیم چقدر اهمیت دارند.