تاريخ علم المواد

لقد شكّل علم المواد تطور الحضارات منذ فجر التاريخ. فقد مكّنت المواد الأفضل لصناعة الأدوات والأسلحة البشر من الانتشار والتوسع، ولا تزال التطورات في معالجة المواد، مثل إنتاج الصلب والألومنيوم، تؤثر على مجتمعنا حتى اليوم. وقد اعتبر المؤرخون المواد جانبًا بالغ الأهمية في الحضارات، لدرجة أن فترات زمنية كاملة قد حُدّدت بناءً على المادة السائدة المستخدمة ( العصر الحجري ، العصر البرونزي ، العصر الحديدي ). وعلى مدار معظم التاريخ المُسجّل، كان التحكم في المواد يتم عبر الخيمياء أو بالطرق التجريبية في أحسن الأحوال. وقد ساهمت دراسة وتطوير الكيمياء والفيزياء في دراسة المواد، وفي نهاية المطاف، نشأ علم المواد متعدد التخصصات من اندماج هذه الدراسات. ^{[ 1 ]} يُعنى تاريخ علم المواد بدراسة كيفية استخدام المواد المختلفة وتطويرها عبر تاريخ الأرض، وكيف أثرت هذه المواد على ثقافة شعوب الأرض. ويُستخدم مصطلح " العصر السيليكوني " أحيانًا للإشارة إلى الفترة الحديثة من التاريخ، خلال أواخر القرن العشرين وبداية القرن الحادي والعشرين.

في كثير من الأحيان، تترك الثقافات المختلفة آثارها كسجلات وحيدة، يستطيع علماء الأنثروبولوجيا استخدامها لتحديد وجود هذه الثقافات. ويُتيح الاستخدام التدريجي لمواد أكثر تطورًا لعلماء الآثار توصيف الشعوب والتمييز بينها. ويعود ذلك جزئيًا إلى المادة الرئيسية المستخدمة في كل ثقافة، وما يرتبط بها من مزايا وعيوب. فقد كانت ثقافات العصر الحجري محدودة بأنواع الصخور التي يمكن العثور عليها محليًا، وتلك التي يمكن الحصول عليها عن طريق التجارة. ويُعتبر استخدام الصوان حوالي عام 300,000 قبل الميلاد بداية استخدام الخزف . ويمثل استخدام الفؤوس الحجرية المصقولة تقدمًا كبيرًا، إذ أصبح بالإمكان استخدام مجموعة أوسع بكثير من الصخور كأدوات.

بدأ ابتكار صهر المعادن وصبها في العصر البرونزي يُغير طريقة تطور الحضارات وتفاعلها. ففي حوالي عام 5500 قبل الميلاد، شرع الحدادون الأوائل في إعادة تشكيل المعادن الخام كالنحاس والذهب، دون استخدام النار، وباستخدام الأدوات والأسلحة. وبدأ تسخين النحاس وتشكيله بالمطارق حوالي عام 5000 قبل الميلاد، بينما بدأ صهره وصبه حوالي عام 4000 قبل الميلاد. وشهد علم المعادن بداياته مع اختزال النحاس من خامه حوالي عام 3500 قبل الميلاد. أما أول سبيكة ، البرونز، فقد استُخدمت حوالي عام 3000 قبل الميلاد.

الخشب والعظام والحجر والتراب هي بعض المواد التي شُيّدت منها مباني الإمبراطورية الرومانية . وقد ساهمت طبيعة الأرض التي بُنيت عليها بعض هذه المباني في بنائه. مزج الرومان مسحوق الحجر الجيري والرماد البركاني المستخرج من جبل فيزوف والماء لصنع عجينة إسمنتية. [ 5 ^{] تُنتج شبه} الجزيرة البركانية ذات الركام الحجري والكونغلوميرات التي تحتوي على مواد بلورية مادةً تتآكل بشكل مختلف عن الصخور الرسوبية الناعمة والطمي. مع اكتشاف العجينة الإسمنتية، أصبح بالإمكان بناء هياكل باستخدام أحجار غير منتظمة الشكل، حيث تملأ المادة الرابطة الفراغات لتكوين بنية صلبة. تكتسب الإسمنت قوتها مع مرور الوقت نتيجة تفاعلها مع الماء ، مما يُعزز الرابطة بمرور الزمن. مع سقوط الإمبراطورية الرومانية الغربية وصعود البيزنطيين ، فُقدت هذه المعرفة إلى حد كبير، باستثناء الرهبان الكاثوليك الذين كانوا من بين القلائل الذين استطاعوا قراءة اللاتينية لفيتروفيوس واستخدام العجينة الإسمنتية. ^{[ 6 ]} هذا أحد الأسباب التي جعلت البانثيون الخرساني في روما يصمد لمدة 1850 عامًا، ولماذا تدهورت بيوت المزارع ذات الأسقف المصنوعة من القش في هولندا التي رسمها رامبرانت منذ زمن طويل.

ازدهر استخدام الأسبستوس كمادة في اليونان القديمة ، لا سيما بعد اكتشاف خصائصه المقاومة للحريق. ويعتقد العديد من الباحثين أن كلمة "أسبستوس" مشتقة من مصطلح يوناني قديم، ἄσβεστος ( أَسْبِسْتُوس )، ويعني "غير قابل للإطفاء" أو "لا يُطفأ". ^{[ 7 ]}  كانت ملابس النبلاء وأغطية الموائد وغيرها من زينة الأفران تُصنع من نسيج هذه المادة الليفية، إذ كان من الممكن تنظيفها بإلقائها مباشرة في النار. ^{[ 8 ]} إلا أن استخدام هذه المادة لم يخلُ من سلبياتها، فقد أشار بليني الأكبر إلى وجود صلة بين الموت السريع للعبيد الذين يعملون في مناجم الأسبستوس. ونصح العبيد العاملين في هذه البيئة باستخدام كيس بلاستيكي كقناع تنفس مؤقت . ^{[ 9 ]}

بعد أن حلت الفؤوس الخشبية والحجرية محل خناجر عظم الفخذ التي استخدمها الصيادون وجامعو الثمار الأوائل ، ثم حلت محلها أدوات الحضارة الرومانية المصنوعة من النحاس والبرونز والحديد ، أصبح بالإمكان البحث عن مواد أكثر قيمة وجمعها. وهكذا، تمكن الصائغ بينفينوتو تشيليني، في العصور الوسطى، من البحث عن الذهب الذي كان عليه تحويله إلى تحف مرغوبة لدى الدوقات والباباوات ، والدفاع عنه . وتحتوي سيرة بينفينوتو تشيليني الذاتية على أحد أوائل الأوصاف لعملية تعدين المعادن.

استُخدم الفلين ، الذي أُضيف مؤخرًا إلى علم المواد، لأول مرة في كتابات هوراس وبليني وبلوتارخ . ^{[ 10 ]} وكان له استخدامات عديدة في العصور القديمة، منها الصيد وأدوات السلامة نظرًا لقدرته على الطفو، ووسيلة للنقش، ونعال الصنادل لزيادة الطول، وسدادات الحاويات، وكونه عازلًا. كما استُخدم أيضًا لعلاج الصلع في القرن الثاني الميلادي. ^{[ 11 ]}

في العصر الروماني القديم، تطورت صناعة الزجاج إلى فنٍّ راقٍ، شمل إضافة الزخارف والألوان. كما تمكنوا من ابتكار أشكال معقدة بفضل استخدام القوالب. وقد مكّنتهم هذه التقنية من محاكاة الأحجار الكريمة. ^{[ 12 ]} كان زجاج النوافذ يُصنع عن طريق صبّه في قوالب طينية مسطحة، ثم يُزال ويُنظف. ^{[ 12 ]} أما نسيج الزجاج الملون فينتج عن النسيج الذي يتركه قالب الرمل على الجانب الملامس للقالب. ^{[ 12 ]}

ظهرت المركبات البوليمرية أيضًا خلال هذه الفترة الزمنية على شكل خشب . وبحلول عام 80 قبل الميلاد، استُخدم الراتنج المتحجر والكيراتين في صناعة الإكسسوارات مثل الكهرمان وصدفة السلحفاة على التوالي. ^{[ 10 ]}

في الإسكندرية خلال القرن الأول قبل الميلاد، تطورت صناعة نفخ الزجاج جزئيًا بفضل الأفران الجديدة التي استطاعت توليد درجات حرارة أعلى باستخدام أنبوب من القصب المغطى بالطين. ^{[ 12 ]} استُخدم رماد النباتات وزجاج النطرون، الذي كان المكون الرئيسي، في صناعة القطع المنفوخة. وكانت نباتات المناطق الساحلية وشبه الصحراوية الأنسب نظرًا لانخفاض محتواها من أكسيد المغنيسيوم وأكسيد البوتاسيوم . وشاعت صناعة الأواني الزجاجية المنفوخة في بلاد الشام وشمال إفريقيا وإيطاليا . ^{[ 13 ]}

تم اكتشاف مواد أولية للخزف تعود إلى العصر الحجري الحديث، حيث عُثر على شظايا منها في مواقع أثرية من عهد أسرة هان الشرقية في الصين. ويُقدّر أن هذه الأواني كانت تُحرق في  درجات حرارة تتراوح بين 1260 و1300  درجة مئوية. ^{[ 14 ]} في القرن الثامن الميلادي، اختُرع الخزف في عهد أسرة تانغ في الصين. وقد أدى إنتاج الخزف في الصين إلى تطوير منهجي لأفران واسعة الانتشار ، مما زاد من جودة وكمية الخزف المُنتَج. ^{[ 15 ]} ابتكر الكيميائيون والخزافون العرب في البصرة بالعراق تقنية التزجيج بالقصدير للخزف . ^{[ 16 ]}

خلال العصور الوسطى المبكرة، اتجهت تقنية صناعة النوافذ نحو نفخ كرات زجاجية غير ملونة يتم تسطيحها لاحقاً، ولكن في أواخر العصور الوسطى، عادت المنهجية إلى تلك التي كانت سائدة في العصور القديمة مع بعض التعديلات الطفيفة، والتي تضمنت استخدام بكرات معدنية. ^{[ 12 ]}

في القرن التاسع، اختُرعت خزفيات عجينة الحجر في العراق ، ^{[ 16 ]} وظهرت الخزفيات اللامعة في بلاد ما بين النهرين . ^{[ 17 ]} وفي القرن الحادي عشر، طُوّر الفولاذ الدمشقي في الشرق الأوسط . وفي القرن الخامس عشر، طوّر يوهان غوتنبرغ سبيكة معدنية للطباعة ، واخترع أنجيلو باروفير الكريستالو ، وهو زجاج شفاف مصنوع من الصودا.

في عام 1540، نشر فانوتشيو بيرينغوتشيو كتابه De la pirotechnia ، وهو أول كتاب منهجي في علم المعادن ، وفي عام 1556 كتب جورج أغريكولا كتاب De Re Metallica ، وهو كتاب مؤثر في علم المعادن والتعدين ، وتم تطوير العدسات الزجاجية في هولندا واستخدامها لأول مرة في المجاهر والتلسكوبات .

في القرن السابع عشر، تضمن كتاب غاليليو " علمان جديدان " ( قوة المواد وعلم الحركة ) أولى البيانات الكمية في علم المواد.

في القرن الثامن عشر، حصل ويليام تشامبيون على براءة اختراع لعملية إنتاج الزنك المعدني عن طريق التقطير من الكالامين والفحم، وحصل برايان هيغينز على براءة اختراع للأسمنت الهيدروليكي ( الجص ) لاستخدامه كجص خارجي ، وقام أليساندرو فولتا بصنع بطارية حمضية من النحاس أو الزنك .

في القرن التاسع عشر، اخترع توماس يوهان سيبيك المزدوجة الحرارية ، واخترع جوزيف أسبين أسمنت بورتلاند ، واخترع تشارلز جوديير المطاط المبركن ، واخترع لويس داجير وويليام فوكس تالبوت عمليات التصوير الفوتوغرافي القائمة على الفضة ، وعرض جيمس كليرك ماكسويل التصوير الفوتوغرافي الملون، وصنع تشارلز فريتس أول خلايا شمسية باستخدام رقائق السيلينيوم .

قبل أوائل القرن التاسع عشر، لم يكن الألومنيوم يُنتج كمعدن منفرد. ولم يُكتشف إنتاجه كعنصر نقي إلا في عام ١٨٢٥ على يد هانز كريستيان أورستد ، وذلك عن طريق اختزال كلوريد الألومنيوم. ولأن الألومنيوم عنصر خفيف ذو خصائص ميكانيكية جيدة، فقد سعى الكثيرون إلى استخدامه كبديل للمعادن الأثقل والأقل كفاءة، كالذهب والفضة. استخدم نابليون الثالث أطباقًا وأواني من الألومنيوم لضيوفه الكرام، بينما قُدّمت أدوات المائدة الفضية لبقية الضيوف. ^{[ ١٨ ]} مع ذلك، كانت هذه العملية لا تزال مكلفة، ولم تكن قادرة على إنتاج المعدن بكميات كبيرة. ^{[ ١٩ ]}

في عام 1886، ابتكر الأمريكي تشارلز مارتن هول والفرنسي بول هيرولت عملية مستقلة تمامًا لإنتاج الألومنيوم من أكسيد الألومنيوم عبر التحليل الكهربائي. ^{[ 20 ]} سمحت هذه العملية بتصنيع الألومنيوم بتكلفة أقل من أي وقت مضى، ومهدت الطريق لتحويل هذا العنصر من معدن نفيس إلى سلعة متوفرة بسهولة. في نفس الفترة تقريبًا، عام 1888، كان كارل جوزيف باير يعمل في سانت بطرسبرغ بروسيا على تطوير طريقة لإنتاج الألومينا النقية لصناعة النسيج. تضمنت هذه العملية إذابة أكسيد الألومنيوم من معدن البوكسيت لإنتاج الجبسيت، الذي يمكن بعد ذلك تنقيته مرة أخرى إلى ألومينا خام. لا تزال عملية باير وعملية هول-هيرولت تُستخدمان حتى اليوم لإنتاج غالبية الألومينا والألومنيوم في العالم. ^{[ 21 ]}

معظم مجالات الدراسة لها مؤسس، مثل نيوتن في الفيزياء ولافوازييه في الكيمياء. أما علم المواد، فلا يوجد له شخصية مركزية. ^{[ 22 ]} في أربعينيات القرن العشرين، شكّلت التعاونات التي جرت خلال الحرب بين مجالات دراسية متعددة لتحقيق تقدم تكنولوجي، أساسًا لمجال الدراسة الذي سيُعرف لاحقًا باسم علم وهندسة المواد. ^{[ 23 ]} كان أحد أسباب التقدم خلال هذه الفترة هو مشكلة التصدع التي واجهتها سفن ليبرتي المستخدمة في الحرب العالمية الثانية. وقد طُبّقت تعزيزات مختلفة على سفن ليبرتي للحد من هذه المشكلة، وكانت هذه من أوائل الاختبارات الهيكلية التي أدت إلى ظهور دراسة المواد. خلال الحرب الباردة في خمسينيات القرن العشرين، أولت اللجنة الاستشارية العلمية للرئيس الأمريكي (PSAC) اهتمامًا كبيرًا بعلم المواد، بعد أن أدركت أنه العامل المحدد للتقدم في تكنولوجيا الفضاء والتكنولوجيا العسكرية. في عام 1958، أنشأ الرئيس دوايت د. أيزنهاور وكالة مشاريع البحوث المتقدمة (ARPA)، ^{[ 24 ]} والتي تُعرف باسم وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA) منذ عام 1996. وفي عام 1960، شجعت ARPA على إنشاء مختبرات متعددة التخصصات (IDL) في الجامعات، تُخصص لأبحاث المواد، بالإضافة إلى تدريب الطلاب على كيفية إجراء بحوث علوم المواد. ^{[ 25 ]} عرضت ARPA عقودًا مدتها أربع سنوات لإنشاء مختبرات متعددة التخصصات على الجامعات، بدءًا من جامعة كورنيل ، وجامعة بنسلفانيا ، وجامعة نورث وسترن ، ثم منحت لاحقًا تسعة عقود أخرى. ^{[ 26 ]} على الرغم من أن ARPA لم تعد تُشرف على برنامج المختبرات متعددة التخصصات (إذ تولت المؤسسة الوطنية للعلوم إدارة البرنامج في عام 1972 ^{[ 26 ]} )، إلا أن إنشاء هذه المختبرات في الأصل شكّل علامة فارقة في مسيرة البحث والتطوير في علوم المواد في الولايات المتحدة . قامت العديد من أقسام المؤسسات بتغيير مسمياتها من "علم المعادن" إلى "علم المعادن وعلوم المواد" في الستينيات. ^{[ 22 ] [ 27 ]}

في أوائل القرن العشرين، كان لدى معظم كليات الهندسة قسمٌ لعلم المعادن ، وربما قسمٌ للخزف أيضًا . بُذلت جهودٌ كبيرةٌ لدراسة أطوار الأوستنيت والمارتنسيت والسمنتيت الموجودة في مخطط طور الحديد والكربون الذي يقوم عليه إنتاج الصلب . لم يكن الفهم الأساسي للمواد الأخرى متقدمًا بما يكفي لاعتبارها موادًا أكاديمية. في فترة ما بعد الحرب العالمية الثانية، شهدت الدراسة المنهجية للبوليمرات تقدمًا سريعًا للغاية. وبدلًا من إنشاء أقسام جديدة لعلوم البوليمرات في كليات الهندسة، بدأ الإداريون والعلماء في تصور علم المواد كمجالٍ جديدٍ متعدد التخصصات قائمٍ بذاته، يُعنى بدراسة جميع المواد ذات الأهمية الهندسية من منظورٍ موحد. أنشأت جامعة نورث وسترن أول قسمٍ لعلوم المواد عام ١٩٥٥. ^{[ ٢٨ ]}

كان ريتشارد إي. تريسلر رائدًا عالميًا في تطوير مواد درجات الحرارة العالية. وقد كان له دور ريادي في اختبار واستخدام الألياف في درجات الحرارة العالية، وتطوير أجهزة ومنهجيات اختبار متقدمة للمواد الحرارية الهيكلية، وتصميم والتحقق من أداء السيراميك والمركبات في تطبيقات الفضاء والصناعة والطاقة ذات درجات الحرارة العالية. وكان المدير المؤسس لمركز المواد المتقدمة (CAM )، الذي دعم العديد من أعضاء هيئة التدريس والطلاب من كلية علوم الأرض والمعادن ، وكلية إيبرلي للعلوم ، وكلية الهندسة، ومختبر أبحاث المواد، ومختبرات الأبحاث التطبيقية في جامعة ولاية بنسلفانيا في مجال مواد درجات الحرارة العالية. وقد لعبت رؤيته للبحوث متعددة التخصصات دورًا محوريًا في إنشاء معهد أبحاث المواد. ويُحتفى بإسهامات تريسلر في علم المواد من خلال محاضرة في جامعة ولاية بنسلفانيا تحمل اسمه. ^{[ 29 ]}

لعبت جمعية أبحاث المواد (MRS) [30] دورًا محوريًا في ترسيخ هوية هذا المجال الناشئ وتعزيز تماسكه في الولايات المتحدة. انبثقت فكرة تأسيس MRS من باحثين في جامعة ولاية بنسلفانيا ^{، ونشأت من} مناقشات بدأها البروفيسور رستم روي عام 1970. عُقد الاجتماع الأول لـ MRS عام 1973. (حتى عام 2006)تطورت جمعية أبحاث المواد (MRS) لتصبح جمعية دولية ترعى عددًا كبيرًا من الاجتماعات السنوية، وتضم أكثر من 13,000 عضو. وتنظم MRS اجتماعات تُقسّم إلى ندوات تتناول طيفًا واسعًا من المواضيع، على عكس الاجتماعات الأكثر تخصصًا التي ترعاها عادةً منظمات مثل الجمعية الفيزيائية الأمريكية أو معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) . وقد كان للطابع متعدد التخصصات لاجتماعات MRS تأثيرٌ بالغٌ على مسار العلوم، لا سيما في ازدياد شعبية دراسة المواد اللينة ، التي تقع في صميم علم الأحياء والكيمياء والفيزياء والهندسة الميكانيكية والكهربائية. ونظرًا لوجود كتب دراسية متكاملة، وجمعيات بحثية متخصصة في المواد، وكراسي بحثية جامعية في جميع أنحاء العالم، وبرامج البكالوريوس والماجستير والدكتوراه، وغيرها من مؤشرات تكوين هذا التخصص، فمن الإنصاف اعتبار علم (وهندسة) المواد تخصصًا قائمًا بذاته. ^{[ 31 ]}

تأسس مجال علم البلورات ، الذي يُستخدم فيه الأشعة السينية لفحص بلورات المواد الصلبة، على يد ويليام هنري براغ وابنه ويليام لورانس براغ في معهد الفيزياء خلال الحرب العالمية الثانية وبعدها . وأصبح علم المواد تخصصًا رئيسيًا راسخًا مع بداية عصر السيليكون وعصر المعلومات . أدى ذلك إلى تطوير الحواسيب الحديثة ، ثم الهواتف المحمولة ، مما استدعى الحاجة إلى تصغير حجمها وزيادة سرعتها وقوتها، الأمر الذي دفع علم المواد إلى تطوير مواد أصغر حجمًا وأخف وزنًا قادرة على إجراء حسابات أكثر تعقيدًا. وقد مكّن هذا بدوره من استخدام الحواسيب لحل حسابات البلورات المعقدة وأتمتة تجارب علم البلورات، مما سمح للباحثين بتصميم تقنيات أكثر دقة وفعالية. وإلى جانب الحواسيب وعلم البلورات، أدى تطوير تقنية الليزر منذ عام 1960 فصاعدًا إلى تطوير الثنائيات الباعثة للضوء (المستخدمة في مشغلات أقراص DVD والهواتف الذكية )، والاتصالات عبر الألياف الضوئية (المستخدمة في الاتصالات السلكية واللاسلكية العالمية )، والمجهر متحد البؤر ، وهو أداة أساسية في علم المواد. ^{[ 32 ]}

• الجدول الزمني لتكنولوجيا المواد
• تاريخ المواد الجلدية
• تاريخ الحرير
• التصنيف: علماء ومهندسو المواد

• روبرت دبليو. كان (2001) ظهور علم المواد ، أكسفورد: سلسلة بيرغامون.