الرمل واستخداماته المتعددة في الحياة

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

علوم الأرض والجيولوجيا

الرمل مادة شائعة في كل ما يحيط بنا. تناولت قصتنا كيف لقّنتنا العلوم تحويل هذه المادة الشائعة إلى منتجات يعتمد عليها وجودنا المعاصر في كل شيء تقريباً.

وتشتمل هذه المنتجات على عشر واحد بالمائة فقط من الرمل المستعمل في كل عام. وفي تقريرها السنوي حول الاستعمال السلعي، تقسِّم إدارة المسح الجيولوجي الأميركية الرمال إلى رمال بناء وتشييد وسيليكا (رمال عالية السيليكا) استُعمِل منها عام 2009 مقدار 800 مليون و 29 مليون طن متري على التوالي (http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity).

بالمقابل، أُنتِج في العالم حوالي 31000 طن من السيليكون متعدد البلورات من أجل صناعة أنصاف النواقل والخلايا الشمسية (روسكيل Roskill 2007). نختتم بمسح موجز للاستعمالات الأخرى للرمل وبالتجوال على بعض المنتجات التي تحتوي على الرمل في بيوتنا وشُققنا.

تتجسد الاستعمالات الرئيسية للرمل في صناعة الزجاج وعمليات السباكة والتكسير المائي [الهيروليكي]. وتستعمل صناعة الزجاج حوالي 10 مليون طن من السيليكا من أجل صناعة القوارير والنوافذ والألياف الزجاجية.

أما عمليات السباكة، فهي تستعمل حوالي 5 مليون طن لتصنيع القوالب من أجل صب الحديد والفولاذ والمعادن الأخرى. تستعمل صناعة البترول حوالي 7 مليون طن من أجل عمليات التكسير المائي حيث يُضخ مُعلَّق من الماء والرمل في بئر النفط حتى يسبب ضغط المُعلَّق تكسير الصخور.

 

ويحافظ الرمل بدوره على التشققات مفتوحة مما يسمح بزيادة السطح الذي يُستخرج منه النفط. ويُستعمل حوالي 4 مليون طن كمادة مالئة في الدهانات والمعجون ومواد بناء متنوعة. علاوة على ذلك، يُستعمل الرمل في مساحيق الكشط وترشيح المياه ومسارات الغولف ورمل اللعب وفي تطبيقات أخرى متعددة.

هناك استعمال آخر للسيليكا على شكل بلورات كوارتز، وقد نوقشت هذه التطبيقات في الفصل الأول حيث تتواجد بلورات الكوارتز في الأجهزة الإلكترونية مثل الهزازات والمرشحات والمؤقتات. وتدخل هذه الأجهزة في تجهيزات الاتصالات والحواسيب والألعاب الإلكترونية وأجهزة التلفزيون. تمتلك إدارة المسح الجيولوجي الأميركية USGS فئة خاصة "بلورة الكوارتز" وتُخبِر، كما أُشير في الفصل الأول، عن تصنيع 10 مليار من صفائح الكوارتز كل عام من أجل هذه التطبيقات.

يناقش نصف هذا الكتاب تقريباَ استعمال السيليكون المُصنَّع من الرمل، وتُقسِّم إدارة المسح الجيولوجي الأميركية الإنتاج العالمي للسيليكون إلى حديد السيليكون (Ferrosilicon) ومعدن السيليكون، ففي عام 2008، أُنتج حوالي 7320000 طن متري من حديد السيليكون، ما يمثل 20% من الاستعمال العالمي للسيليكا.

في نفس الوقت، أُنتج حوالي 609000 طن متري من السيليكون. ويعتبر الإنتاج الحالي للسيليكون أكبر حجماً لأن الرقم في التقرير يستبعد الصين والولايات المتحدة (استُبعد إنتاج الولايات المتحدة من أجل تحاشي كشف المعطيات الخاصة للشركات).

 

يعتبر حديد السيليكون سبيكة من الحديد والسيليكون تنتج عن صهر الرمل بواسطة فحم الكوك بوجود الحديد، ويذهب معظم حديد السيليكون (61%) إلى تصنيع الحديد الصب والفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك الفولاذ الأخرى. أما معظم معدن السيليكون (76%)، فهو يُستعمل في الصناعة الكيميائية لتصنيع مركبات السيلان والسيليكونات ومركبات كيميائية أخرى.

تعتبر لائحة المنتجات التي تتضمن مكونات من الرمل لانهائية، ومن أجل إبرازها، دعنا ننظر في بيت أو شقة عادية إلى المنتجات غير الإلكترونية المشتقة جزئياً على الأقل من الرمل. نستيقظ صباحاً وننظف أسناننا بمعجون الأسنان Crest^® الذي يحتوي على السيليكا، ثم نحلق لحيتنا باستعمال هلام الحلاقة Gilette^® الذي يحتوي على مركبات سيليكونات، ويحتوي نصف منتجات التجميل للشعر والجلد وتحت الإبط الحالية على السيليكونات (http://www.dowcorning.com/content/discover).

على سبيل المثال، تحتوي بعض ملمعات الشفاه على البوليمير المشترك أكريلات السيليكون  (O'Lenic et al. 2007 and Martin et al. 2002) والكريمات المضادة للشمس على سيليكونات متعددة. هناك حمامات وواجهات مطابخ من مواد مركبة للكوارتز مثل Zodiac^® من شركة ديبونت (DuPont).

وهناك مواد سيراميكية زجاجية على سطوح مُسخنات الطهي مثل CERAN^® من شركة شوت (Schott) وصحون وأباريق مثل أواني كورنينغ (CorningWare^®). وتحتوي مركبات سيليكونات بخاخات طهي وأواني طهي من المطاط السيليكوني.

 

عندما ننظف المغسلة، نستعمل Comet^®، وعندما نُشغِّل غسالة الصحون، نستعمل Cascade^®، ويحتوي Cheer^®، المستعمل في غسالة الألبسة، على الزيوليت القائم على السيليكا مثل مهاد القطط. في حيز الإصلاح المنزلي، هناك مواد لاصقة سيليكونية من أجل ملء الشق بين حوض الحمام والبلاط، وهناك مركب التزجيج DAP^® لإصلاح النوافذ.

تُضاف السيليكونات إلى الدهانات لتحسين خواصها في الابتلال والتسوية، وتحتوي منازلنا على النوافذ الزجاجية وألياف العزل لزجاجية ورقائق الاسفلت المحتوية على الرمل. يلعب أولادنا بمعجونة من بوليمير البولي ميتيل سيلوكسان المتصالبة التي تكون طرية ومطاوعة عند عصرها ببطء لكنها تتشظى عند التشوه سريعاً.

وأخيراً، طورت بوليميرات يمكن استعمالها لتدريع الجسم تماماً مثل معجونة بسيطة باستثناء أنها تصبح جسيئة تحت التشوه دون تشظي. هناك الحجرات الكوارتزية المستعملة في مصابيح بخار الزئبق أو مصابيح التنغستين الهالوجينية. وعندما نذهب إلى استقبال ونُعطى شارة تعريف، يكون هناك طبقة تحرير سيليكونية تسمح للمرء بإزالة العلامة عن مسندها بحيث يمكن لصقها على قميصك (Kennedy 2005). ت

ُستعمل السيليكونات في صناعة النسيج لتحسين التعامل مع الألياف، ويحتوي عدد من ملدنات الأقمشة على السيليكونات لتحسين احتباس الماء والحصول على قمصان نفيذة وقمصان عديمة التجعد. ينبغي أن نتذكر "أن خطوة الإنسان الصغيرة وخطوة الإنسانية العظيمة" قد خطاها نيل أرمسترونغ (Neil Armstrong) على القمر باستعمال أحذية مطاط سيليكون (silicone). وتبين هذه الرحلة غير الكاملة على المواد المحتوية على الرمل أن منتجات الرمل تتواجد في كل مكان من حياتنا اليومية.

دعنا نعود أخيراً إلى جميع الإلكترونيات والأجهزة والألعاب التي تحتوي تلك الجذاذات واسعة الانتشار من السيليكون التي تٌصنع من سيليكون أنصاف النواقل وقد غطت تطبيقت السيليكون فائق النقاوة ثلاثة فصول من الكتاب. يمثل إنتاج السيليكون متعدد البلورات أقل من عشر واحد بالمائة من استعمال السيليكا في الولايات المتحدة.

 

ويستعمل ترشيح مياه المسابح ضعف السيليكا المستعمل في الصناعة الالكترونية، كما يُستعمل خمس وعشرون مرة أكثر من السيليكون من أجل المناطق الخضراء وشراك الرمل في مسارات الغولف.

على الرغم من ذلك، يتناول موضوع الكتاب كيفية استعمال نسبة 0.1% في منتجات نعتمد عليها في وجودنا المعاصر، ولقد سمحت الثورة العلمية في القرن العشرين للتكنولوجيا من الوصول إلى هذه المنتجات، فالتجارب التي أقامت الدليل على الطبيعة الموجية للإلكترونات والأشعة السينية قادت إلى أدوات جديدة من أجل تحديد بنية الأجسام الصلبة وسطوحها. وللمرة الأولى، تمكن العلماء من النظر إلى داخل المواد القائمة على الرمل ومن بداية فهم الترابط بين بنية المواد وخواصها.

لقد تعلّم العلماء التحكم بهندسة المواد التي يصنعونها من الرمل وتنمية البلورات طبقة ذرية تلو الأخرى. كما مهّد فهم الخصائص الأساسية للضوء وإصداره وامتصاصه السبيل إلى تطوير ميكانيك الكم الذي يعتبر بدوره جوهر فيزياء أنصاف النواقل التي مكّنت الهندسة الكهربائية من تصميم أجهزة إلكترونية غاية في التطور بالاعتماد على السيليكون المٌصنّع من الرمل.

وهكذا، عندما تجلس على الشاطئ وتدع الرمل يمر بين أصابعك، آمل أنك ستدرك إلى أي حد تتعلق حياتنا بهذه الحبات من الرمل وكيف لقّنتنا العلوم استعمال هذه المادة الشائعة لابتكار تكنولوجيا ثورية.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]