الفصل الحادي عشر

المطاط الطبيعي والصناعي

(١) تصليد المطاط

في أوائل القرن السادس عشر، وجد كولومبوس وآخرون من المستكشِفين الإسبان أن هنود أمريكا الجنوبية يمارسون ألعابًا بكرة مصنوعة من مستحلب نباتي يُسمَّى اللاتكس مُستخلَص من أشجار معينة. وكان من بين الأسماء التي استخدمها الهنود لمادة اللاتكس هو «الهيفيا»، حيث كانت الشجرة الأساسية التي كانوا يحصلون منها على اللاتكس تسمَّى «هيفيا برازيليانسيس». ومع أن المستكشِفين الإسبان قد أحضروا بعضًا من هذا «الصَّمْغ الهندي» إلى أوروبا، فإنهم لم يجدوا أيَّ نفع منه، حتى وجد جوزيف بريستلي — مكتشِف الأكسجين — أن بإمكانه محو الكتابة المكتوبة بأقلام الرَّصاص من على الورق. ومن هنا جاء المقابل الإنجليزي لكلمة المطاط rubber نسبةً إلى الفعل «محا» rub؛ وذلك من أحد استخداماته البسيطة بعض الشيء، وإن كانت لا تزال مفيدة حتى الآن.

لم يرَ الأوروبيون للمطاط استخدامًا مُهمًّا لأكثر من قرنين؛ لأنه يصبح مَرِنًا ويلتصق بالمواد عند تعرُّضه لدرجات حرارة مرتفعة، كما أنه يتجمَّد ويتفكَّك عند تعرُّضه لدرجات حرارة منخفضة. وبعد ذلك، اكتشف شاب اسكتلندي يُدعَى تشارلز ماكنتوش أحد الاستخدامات القليلة للمطاط الهندي، بعد أن تغلَّب على لزوجة المطاط عندما يتعرَّض للحرارة؛ وذلك بتغطية قطعتين من القماش بطبقة من المطاط والضغط عليهما حتى يلتصقا معًا بفعل المطاط الموجود بينهما الذي يعمل كنوع من الصَّمْغ. واستخدم ماكنتوش القماش المزدوج الذي أصبح بهذه الطريقة مقاوِمًا للماء لصنع المعاطف الواقية من المطر، وهكذا ظهر ما يُسمَّى بمعاطف ماكنتوش، وما زال الاسم مستخدَمًا في إنجلترا للمعاطف الواقية من المطر المصنوعة من أقمشة حديثة.

كانت الأحذية ذات الرقبة والأحذية العادية المصنوعة من المطاط أو القماش المغطَّى بطبقة من المطاط تُصنَّع في البداية في إنجلترا، وتُصدَّر إلى الولايات المتحدة، ثم بدأ تصنيعها في الولايات المتحدة في الثلاثينيات من القرن التاسع عشر. لكن سرعان ما نفر الأمريكيون من الأحذية التي تتيبَّس في الشتاء وتصبح مَرِنة وقبيحة الشكل في الصيف. وهنا دخل تشارلز جوديير المشهد.

وُلِد جوديير في عام ١٨٠٠ في نيو هيفن بكونيتيكت، وكان ابنَ تاجرٍ ومخترعٍ غير ناجح. انشغل جوديير الصغير بإمكانية جعل المطاط لا يتأثر بالتغيرات في درجة الحرارة بحيث يصبح مفيدًا بطرق عديدة، وهذا الانشغال ملك عليه لبَّه؛ مما أدَّى إلى تدهور صحته وضياع الثروة الصغيرة التي امتلكها هو وأسرته بين عامَيْ ١٨٣٠ و١٨٣٩. وفي تلك الفترة، دخل السجن أكثر من مرة بسبب الدَّيْن، وأصبح عالة على أقاربه في الحصول على الطعام والسكن، لكن اهتمامه بموضوع المطاط لم يتوقَّف، وكانت إحدى المشكلات الكبرى التي تعرَّض لها تلك الطلبية الكبيرة التي باعها إلى الحكومة من حقائب البريد المُعالجة بالمطاط لتكون مقاومة للمياه، والتي أصبحت لَزِجة وتفكَّكت بفعل الحرارة قبل أن تخرج من المصنع.

بعد عدة محاولات غير ناجحة وغير علمية لمعالجة المطاط، التي تضمَّنت إحداها مزجه بالكبريت، حدث أن أراق بالمصادفة مزيجًا من المطاط والكبريت في فرن ساخن. ومما أثار دهشته أن المطاط لم ينصهر ولكنه احترق احتراقًا خفيفًا فقط، تمامًا كما يحدث لقطعة من الجلد، وعلى الفور أدرَكَ جوديير أهمية هذه المصادفة. قالت ابنته لاحقًا:

بينما كنتُ أمرُّ إلى داخل الغرفة أو خارجها، لاحظتُ مصادفةً قطعةَ الصمغ الصغيرة التي كان يمسك بها بالقرب من النار، ولاحظت أيضًا أنه كان سعيدًا على نحوٍ غير عادي بسبب اكتشاف ما توصَّلَ إليه. ثم رأيته يثبِّت بمسمار قطعة الصمغ خارج باب المطبخ في البرد الشديد، وفي الصباح أدخلها وأمسك بها وهو يطير فرحًا؛ إذ وجد أنها مَرِنة على نحو تام كما كانت حين وضعها بالخارج (نقلًا عن كتاب «تجارب مخترِع: قصة حياة تشارلز جوديير واكتشافاته» لبيرس، صفحة ١٠٦).

بعد مزيد من الاختبارات، حدَّدَ جوديير درجة الحرارة المناسبة التي يُسخَّن فيها المطاط على هذا النحو، والمدة الملائمة لهذا التسخين حتى يصلد المطاط. وتقدَّمَ بطلب للحصول على براءة الاختراع، فحصل عليها في عام ١٨٤٤ لعملية سمَّاها تصليد المطاط vulcanization، وذلك على اسم إله النار الروماني، فولكان Vulcan.

تعقيب

عندما يُسخَّن المطاط مع الكبريت، ترتبط ذرات الكبريت مع السلاسل الطويلة لجزيئات بوليمرات المطاط؛ مما يؤدي إلى تصلدها على النحو الذي يجعل مصفوفةَ المطاط ككلٍّ أقلَّ حساسيةً للتغيُّرات في درجة الحرارة.

لا يُعَدُّ الاكتشاف العَرَضي لعملية تصليد المطاط التي توصَّل إليها جوديير سرنديبيًّا، وذلك طبقًا للشرح الدقيق لتعريف وولبُول للكلمة. فبدلًا من اكتشاف شيء مصادَفةً لم يكن الشخص يسعى إليه، وجد جوديير بالمصادَفة حلًّا كان يسعى بشدة إلى إيجاده. وكما ذكرتُ في المقدمة، توجد أمثلة عديدة لمصادفات سعيدة أدَّتْ إلى اكتشافات عندما حدثت لأشخاص كانوا يسعون وراء شيء كان يتملَّص منهم دائمًا حتى حدثت المصادفة. وهذه الاكتشافات العَرَضية ليست هي ما كان وولبُول يقصده بالسرنديبية، ولكنها مرتبطة بها بما يكفي لأن يُطلَق عليها «السرنديبية الوهمية».

لم يَعِش جوديير سعيدًا حتى بعد اكتشافه عملية تصليد المطاط؛ فقد كان منشغلًا بالدفاع عن براءة اختراعه من اعتداءات الآخَرين، ولم يستطع الخروج من دوامة الدَّيْن الكبيرة التي كان واقعًا فيها قبل أن توافيه المنية في عام ١٨٦٠، على الرغم من نجاح دانيال وبستر في الدفاع عنه في إحدى محاولات التعدِّي على براءة اختراعه. لكن عملية تصليد المطاط أدَّتْ إلى حركة كبيرة في مجال تصنيع واستخدام المطاط، وبحلول عام ١٨٥٨ بلغت قيمة المنتجات المصنوعة من المطاط ٥ ملايين دولار، وتأسست كبرى شركات تصنيع المطاط، بما فيها شركة جوديير، في آكرون بأوهايو في عام ١٨٧٠ والسنوات التالية عليها، وكان هذا قبل ظهور السيارات والشاحنات والطائرات، التي تحتوي إطاراتها على معظم المطاط المستخدَم اليوم.

(٢) المطاط الصناعي

إنَّ أول نوعين من المطاط التجاري يتم تصنيعهما بنجاح، وهما النيوبرين والثيوكول، تم إنتاجهما مصادفةً. إذ كان اكتشاف النيوبرين ضربًا من السرنديبية الوهمية، في حين كان اكتشاف الثيوكول ضربًا من السرنديبية الحقيقية.

اكتشف الكيميائيون التركيب الجزيئي للمطاط بتسخينه في ظروف مُحكَمة وتحديد طبيعة الأجزاء التي حصلوا عليها، ومن تلك الأجزاء الأيزوبرين، وهو مركب مكوَّن من خمس ذرات كربون يحتوي على رابطتين مزدوجتين. في عام ١٩٢٠، كتب هرمان شتاودنجر بحثًا شهيرًا اقترح فيه وصفًا لتركيب منتجات طبيعية مهمة مثل المطاط والسليلوز والبروتينات وبعض المنتجات الصناعية التي لها خصائص مماثلة. وافترض أن هذه المواد، التي تبدو مختلفة على نحو غامض عن المركبات العضوية الأبسط؛ هي بوليمرات polymers. (كلمة polymer أصلها كلمتان إغريقيتان هما poly وتعني «متعددة»، وmeros وتعني «أجزاء».) وتتكون البوليمرات من جزيئات كبيرة تحتوي على وحدات متكررة ترتبط معًا بنفس أنواع الروابط الكيميائية كما في المركبات الأبسط. على سبيل المثال، افترضت صيغة جزيئية للمطاط مفادها أن عددًا كبيرًا من وحدات «مونومر» الأيزوبرين (تعني كلمة «مونومر» أنها وحدات مكوَّنة من «جزء واحد») ترتبط معًا بفعل عملية التصنيع الحيوي التي تتم في شجرة المطاط لإنتاج جزيء بوليمر كبير من المطاط.

بعد اقتراح هذه الصيغة للمطاط الطبيعي، تمت محاولات عديدة لصنع مطاط صناعي له نفس التركيب الجزيئي والمرونة اللذين يتميز بهما المطاط الذي يتم الحصول عليه من الأشجار. وتمت معالجة الأيزوبرين باستخدام عوامل محفِّزة متعددة لمعرفة إن كان يمكن بلمرتها لإنتاج شيء مماثل للمطاط أم لا. ونجحت تلك المحاولات جزئيًّا بما يكفي للبرهنة على صحة نظرية شتاودنجر، لكن العوامل الدقيقة للتركيب الجزيئي لم تُعرَف حتى اكتشف كارل تسيجلر العوامل المحفِّزة للانتظام الفراغي في عام ١٩٥٣. (سنتناول هذا الاكتشاف السرنديبي في الفصل السادس والعشرين.) اتضح أن المطاط الطبيعي له ترتيب «مقرون» لوحدات المونومر للأيزوبرين؛ يمكن تكرار هذا الترتيب في المطاط الصناعي باستخدام مواد محفِّزة جديدة، في حين أن المواد المحفِّزة السابقة أدَّتْ إلى ترتيب عشوائي للوحدات المقرونة والمفروقة. بعد ذلك، أصبح من الممكن إنتاج مطاط صناعي لا يمكن التفرقة تقريبًا بينه وبين المطاط الطبيعي، ويتحدد اليومَ الاختيارُ بين استخدام المطاط الطبيعي والصناعي لتصنيع الإطارات والأشياء الأخرى بصفة أساسية من خلال سعر البترول، الذي هو المادة الأولية لإنتاج المطاط الصناعي.

اهتم الدكتور دبليو إس كالكوت في معمل جاكسون التابع لشركة دو بونت بالتجارب التي أجراها الأب نيولوند من جامعة نوتردام. كان نيولوند قَسًّا كاثوليكيًّا وأستاذًا بجامعة نوتردام وكيميائيًّا، وقد نشر نتائج بحثه التي أظهرت أن الأسيتيلين، وهو هيدروكربون صيغته الكيميائية C2H2، يمكن مضاعفة جزيئاته مرة أو مرتين لإنتاج أسيتيلين الفينيل بصيغة C4H4 وأسيتيلين ثنائي الفينيل بصيغة C6H6. اعتقد كالكوت أن هذه الديمرات والتريمرات قد تكون مماثلة على نحو كافٍ للوحدة المكوَّن منها المطاط الطبيعي؛ الأيزوبرين، بحيث يمكن استخدامها لتحضير مطاط صناعي، وقد أسند تلك المهمة إلى بعض من كيميائيي شركة دو بونت، ولكنهم لم ينجحوا في ذلك، فذهب إلى والاس كاروثرز، رئيس مجموعة بالمحطة التجريبية التابعة لشركة دو بونت، وهي المعمل الذي أُجريت فيه معظم الأبحاث المتعلقة بالبوليمرات.

اهتم كاروثرز بالأمر، وطلب من أحد الكيميائيين وهو أرنولد كولينز تنقية عينةٍ من المزيج الخام المستقَى من الأسيتيلين باستخدام طريقة نيولوند. وعندما فعل هذا، فصل كمية صغيرة من السائل التي لم يَبْدُ أنها أسيتيلين الفينيل أو أسيتيلين ثنائي الفينيل ولم تُوصَف من قبل نيولوند، لكنه لم يتخلَّص منها بل نحَّاها جانبًا على طاولة معمله وتركها خلال عطلة نهاية الأسبوع. وفي يوم الإثنين، لاحَظَ أن السائل قد تصلَّبَ، وعندما فحصه بدا له أنه مطاط، بل وارتد عندما أسقط على الطاولة.

ربما تقول إن هذه ليست مصادفة ولكنه فقط أمرٌ كان كالكوت يسعى وراءه، بل كان أيضًا يتوقعه. لكن عندما حلَّلوا السائل المطاطي، وجدوا أنه ليس شكلًا هيدروكربونيًّا بوليمريًّا من الأسيتيلين، لكنه كان يحتوي على «الكلور»، وهو أمر كان غير متوقَّع على الإطلاق. يبدو أن مصدر الكلور هو حمض الهيدروكلوريك HCl الذي كان يُستخدَم في طريقة نيولوند لصناعة ديمر وتريمر الأسيتيلين، وقد أُضيف إلى أسيتيلين الفينيل. وسُمِّيَ ناتج عملية الإضافة هذه الكلوروبرين؛ نظرًا لتشابهه مع الأيزوبرين. والاختلاف الوحيد كان ذرة الكلور في مقابل مجموعة الميثيل (وهي وحدة جزيئية مكوَّنة من ذرة كربون واحدة مرتبطة بثلاث ذرات من الهيدروجين؛ أيْ CH3) في جزيء المونومر. وهكذا أدَّتِ البلمرة الفورية لمادة الكلوروبرين أثناء وجودها على طاولة بمعمل كولينز في عطلة نهاية الأسبوع إلى إنتاج المادة الصلبة الشبيهة بالمطاط التي سمَّاها النيوبرين.

وُجِد أن هذا المطاط الصناعي الجديد له درجة مقاومة كبيرة للبترول والبنزين والأوزون مقارَنةً بالمطاط الطبيعي، وقد أدت تلك الخصائص إلى إنتاجه وبيعه بالأسواق من قِبَل شركة دو بونت في عام ١٩٣٠، على الرغم من كونه أغلى بكثير من المطاط الطبيعي. وما زال هذا النوع مفيدًا وقيِّمًا؛ فقد تأكَّدت متانته وقوة تحمله في الاستخدامات القاسية مثل: الخراطيم الصناعية، وأنعال الأحذية، وحشيات النوافذ، وسيور نقل الحركة الشديدة الاحتمال، وتغليف الكبلات الكهربائية. وثمة استخدام حديث ومثير لهذا النوع، وهو استخدامه كمادة رابطة للأحزمة الجلدية ذات الوجهين؛ حيث يمكن الربط بين قطعتين من الجلد الأسود والبني على نحو دائم دون تخييطهما لإنتاج حزام من لونين يُلبَس على الوجهين.

في عام ١٩٢٤، بدأ جيه سي باتريك في محاولة إعداد شيء مفيد من الكميات الهائلة من الإثيلين والناتج الثانوي المتمثل في غاز الكلور المتاح من خلال العمليات الصناعية. وكان من المعروف أن هذين المركبين يتَّحدان معًا لإنتاج ثاني كلوريد الإثيلين. كان باتريك يختبر تفاعل مواد مختلفة مع ثاني كلوريد الإثيلين على أمل إنتاج جليكول الإثيلين، الذي يمكن أن يصبح منتجًا قابلًا للتسويق. وكان من بين المواد التي جرَّبها متعدد كبريتيد الصوديوم، لكنها لم تعطِه الجليكول السائل المطلوب، وإنما أعطته بدلًا من ذلك مادة شبه صلبة شبيهة بالمطاط. أدرك باتريك على الفور القيمة المحتمَلة لتلك المادة غير المتوقَّعة الشبيهة بالمطاط، واستغرق في مشروع بحثي مكثَّف سرعان ما أدَّى إلى حصوله على براءة اختراع وتأسيس شركة لتصنيع المطاط الصناعي الجديد.

طُرِح نوع المطاط الصناعي «ثيوكول إيه» في الأسواق في عام ١٩٢٩، وكان ذلك من خلال شركة «ثيوكول» للكيماويات التي كان باتريك رئيسها. وكان هذا النوع مختلفًا تمامًا عن المطاط الطبيعي من حيث تركيبه الجزيئي، لكنه كان مَرِنًا، ويمتاز عن المطاط الطبيعي بأنه، مثل النيروبرين، مقاوِم للمنتجات البترولية، ولكن سرعان ما ظهر أهم عيوبه وهو رائحته الكريهة جدًّا.

أنتجت شركة ثيوكول وشركات أخرى أنواعًا عديدة من المطاط المتعدد الكبريتيد. واستفادت استخدامات تلك المادة من قدرتها على مقاومة المنتجات البترولية وخصائصها الجيدة فيما يتعلق بمنع التسرب، مثل الزجاج الأمامي للسيارات المانع للتسرُّب وبطانة خزانات الوقود في أجنحة الطائرات. ونظرًا لأن أنواع المطاط التي أنتجتها شركة ثيوكول يمكن أن تصلد في درجات الحرارة المنخفضة، فقد استُخدِمت لبعض الوقت كمادة لاصقة وكأحد مكونات أنواع وقود الصواريخ الصلبة المستخدَمة لدفع الأقمار الصناعية وسفن الفضاء في مداراتها.

في عام ١٩٨٢، اشترت شركة مورتون سولت شركة ثيوكول وأسست شركة جديدة باسم مورتون ثيوكول. وكانت كل شركة منهما تنتج موادَّ كيميائية خاصة بها قبل أن تندمجَا، واستمرتا على هذا النحو حتى فيما بعدُ. اشتهرت شركة ثيوكول بأنها كانت المقاول الرئيسي لإنشاء مركبة الفضاء تشالنجر المنكوبة. ولم تكن الحلقات المطاطية العازلة التي قيل إنها السبب في انفجار مركبة الفضاء مصنوعةً من المطاط الصناعي المتعدد الكبريتيد الذي تنتجه شركة ثيوكول، وإنما كانت مصنوعة من الفيتون، وهو نوع من المطاط الصناعي الأقرب كيميائيًّا إلى مادة التيفلون.

جميع الحقوق محفوظة لهنداوي فاونديشن سي آي سي © 2019

تسجيل الدخول

هذا الحساب غير مُفعَّل، يُرجى التفعيل لتسجيل الدخول‎‎

Mail Icon

إنشاء حساب

Mail Icon

لقد أرسلنا رسالة تأكيد التسجيل إلى يرجى التحقق من البريد الوارد الخاص بك وتأكيد بريدك الالكتروني لاستكمال عملية اشتراكك.

نسيت كلمة السر؟

Mail Icon

إذا كان البريد الإلكترونى الذى أدخلتة متصلا بحساب فى هنداوي فاونديشن سي آي سي، فسيتم إرسال رساله مع إرشادات لإعادة ضبط كلمة السر.