Sconosciuta fonte di forza

Gli uomini usano il nichel da quando producono oggetti di metallo. Elemento relativamente abbondante – il 24° più abbondante sulla terra – il nichel si trova in depositi di minerali metallici in tutto il mondo. Gli antichi apprezzavano questi minerali come fonte di metalli con proprietà desiderabili, come la forza e la flessibilità, e li usavano per fare tutto, dalle monete ai coltelli, asce e armi. Tuttavia, le caratteristiche desiderabili di queste leghe metalliche erano spesso attribuite alla presenza di rame o ferro. Infatti, gli archeologi hanno scoperto da antichi manufatti metallici che il “ferro” delle prime società che usavano i metalli era in realtà una miscela contenente dal 5 al 26% di nichel.

Molto prima che il nichel fosse isolato, gli antichi cinesi svilupparono un materiale chiamato paitung (chiamato anche paktong o tutenag) che era apprezzato per la sua lucentezza argentea e la forza. Secondo i manoscritti cinesi, il paitung era usato già nel terzo secolo d.C. in armi, monete e opere d’arte. Si ritiene che il paitung contenesse principalmente rame e nichel con piccole quantità di zinco e stagno.

Anche in Europa il nichel trovò la sua strada nelle leghe all’insaputa dei fabbri e fonditori dell’epoca. Le leghe di nichel erano usate per produrre armature di piastre e catene durante il Medioevo, e la relativa abbondanza di minerali contenenti nichel lo rendeva un modo economico per aggiungere una bella lucentezza alla moneta. Ma non fu fino alla scoperta del nichel nel 1750 che questo comune additivo metallico fu isolato e compreso.

L’attività mineraria nella regione tedesca della Sassonia ha portato alla scoperta del nichel. Nel 1750 i fonditori di rame in Sassonia scoprirono un minerale di rame particolare che aveva un colore leggermente più chiaro del solito. Quando fu lavorato e raffinato, questo minerale produsse un’insolita forma di rame che era particolarmente brillante e argentea. Questa strana forma di rame è stata anche trovata per avere proprietà materiali nettamente diverse. Era estremamente duro e non poteva essere reso malleabile nonostante i ripetuti tentativi dei fonditori. Il nuovo metallo divenne noto come Kupfernickel che si traduce approssimativamente in “rame con il diavolo dentro”. La composizione di questa lega era infatti molto simile al paitung dell’antica Cina.

Il nichel – il misterioso componente del Kupfernickel che gli dava queste proprietà distintive – fu finalmente “scoperto” e isolato da un minerale chiamato niccolite dal mineralogista svedese Barone Axel Frederik Cronstedt nel 1751. Il barone, come i fonditori sassoni, aveva inizialmente previsto di estrarre il rame da questo minerale, ma invece la sua procedura ha prodotto un metallo bianco e forte. Incapace di confrontare il materiale con qualsiasi metallo conosciuto, il barone determinò che aveva isolato l’enigmatico componente del Kupfernickel e chiamò il nuovo metallo “nichel” dal nome del diavolo stesso, “Old Nick.”

Nickel and Dimed

Società moderne e antiche hanno usato il nichel per aggiungere lucentezza e ridurre il peso delle monete e per aumentare la loro resistenza alla corrosione e all’usura. Ma la pratica di aggiungere nichel alle leghe delle monete divenne più comune quando le nazioni iniziarono a convertirsi a sistemi di cambio fluttuanti in cui il valore del materiale fisico in una moneta non doveva più corrispondere al suo valore nominale. Quando il cambio di valuta cessò di essere legato agli standard dell’oro e dell’argento, la Svizzera divenne la prima di molte nazioni moderne a utilizzare il nichel nelle monete. La prima moneta di nichel puro fu emessa dalla Svizzera nel 1881, con Austria e Ungheria che seguirono l’esempio nel 1893.

Nella fine degli anni 1850 gli Stati Uniti aggiunsero il nichel sia al penny che al pezzo da cinque centesimi, che prima contenevano principalmente rame e zinco (bronzo). La parola “nichel” divenne un termine popolare per il pezzo da cinque centesimi stesso, nonostante il fatto che la maggior parte della moneta fosse di rame (la moneta di nichel degli Stati Uniti del 1800 conteneva il 75% di rame e il 25% di nichel). La moneta era molto richiesta perché era un taglio conveniente per molti oggetti quotidiani come la birra e i sigari. L’avvento delle slot machine e l’ubiquità delle tariffe in nichel negli autobus e nelle metropolitane contribuirono anche a stimolare la popolarità di questa moneta. Si stima che nel 1958 gli Stati Uniti avessero emesso più di 4 miliardi di nichel.

Dalle meteore alle macchine

Anche un secolo dopo l’isolamento dell’elemento nichel, gli scienziati e gli ingegneri non avevano sfruttato appieno le sue proprietà materiali uniche. Il nichel è un metallo di transizione che forma leghe con una serie di altri metalli di transizione come rame, zinco, ferro, argento, cadmio e cromo. È sia forte – resiste alla frattura sotto forte stress – che duttile – si piega piuttosto che rompersi sotto stress. Questa è una preziosa combinazione di proprietà. Gli ingegneri cercano questa combinazione di proprietà quando progettano strutture come i ponti, che devono resistere a carichi pesanti ma anche piegarsi sotto pressione piuttosto che incrinarsi.

Le storie di questi materiali miracolosi sono state tramandate nella storia. Le leggendarie lame di spada dell’antica Damasco e dell’Arabia erano ampiamente note per la loro estrema forza e durezza. Le pietre sacre, come la pietra nera della Kaaba alla Mecca, si diceva avessero proprietà magiche, probabilmente il magnetismo. Queste famose armi e reliquie sacre sono composte da ferro caduto dal cielo in meteoriti. Questo ferro meteroico contiene spesso grandi quantità di nichel. Gli antichi fabbricanti di armi che costruivano le loro lame con questo materiale si erano imbattuti in una lega primitiva di acciaio inossidabile ad alta resistenza e resistente alla ruggine. Ci sarebbero voluti secoli prima che la scienza dietro questi materiali magici venisse spiegata.

Nel 1700, con l’avvento della rivoluzione industriale prima in Inghilterra e poi nell’Europa continentale e negli Stati Uniti, lo sviluppo delle attrezzature industriali e dei motori a vapore in particolare ha generato una ricerca di materiali più resistenti di quelli attualmente disponibili. I primi scienziati dei materiali svilupparono leghe di acciaio per alimentare questo bisogno. L’acciaio viene prodotto quando il ferro viene combinato con piccole quantità di carbonio, che aiuta a stabilizzare e rafforzare la struttura cristallina del ferro. L’aggiunta di piccole quantità di altri elementi come zinco, cromo e nichel aumenta la forza, la duttilità, la resistenza alla corrosione e la finitura dell’acciaio.

Era mezzo secolo dopo la scoperta del nichel che Michael Faraday – famoso anche per la sua scoperta dell’induzione elettromagnetica e della legge di Faraday, il fondamento della moderna teoria dei campi – propose per la prima volta di aggiungere nichel all’acciaio per migliorarne le proprietà materiali. In una lettera al professor de la Rive della Royal Institution nel 1820 scrisse: “Siamo stati indotti dall’idea popolare che il ferro meteorico non arrugginisse, a provare l’effetto del nichel sull’acciaio e sul ferro”. Nonostante i fallimenti iniziali, Faraday fu in grado di legare con successo piccole quantità di nichel con l’acciaio, producendo materiali che erano più forti ma ancora malleabili e lavorabili come l’acciaio ordinario. Il lavoro continuato dal metallurgista svizzero J.C. Fischer nel 1824 portò a imitazioni di successo del ferro meteorico.

Queste prime scoperte posero le basi per acciai inossidabili e strutturali avanzati fatti di leghe con maggiore resistenza alla corrosione e forza. L’armatura in acciaio rinforzato al nichel fu presto utilizzata nelle navi da guerra durante la metà e la fine del 1800. Le indagini di Michael Faraday sull’elettrochimica di vari metalli – la loro volontà di interagire con le correnti elettriche – aumentarono gli usi del nichel. Negli anni 1840, i metallurgisti erano in grado di placcare il nichel in altre superfici metalliche usando una corrente elettrica per attrarre i sali di nichel disciolti e gli ioni di nichel sulla superficie degli elettrodi metallici. Questi rivestimenti fornivano resistenza all’usura e alla ruggine per numerosi prodotti, dagli utensili da cucina agli impianti idraulici.

Accendere le fiamme della guerra

Durante la prima guerra mondiale il valore del nichel aumentò drammaticamente a causa della ritrovata richiesta di acciaio inossidabile ad alta resistenza per pistole, munizioni e veicoli. Il nichel era ora non solo un componente importante della moneta, ma anche una preziosa risorsa naturale ricercata da tutte le fazioni in guerra. Nel 1916, un sottomarino tedesco corse dei rischi mortali nel tentativo di sfondare il blocco britannico per ottenere un piccolo carico di nichel canadese. Il successo della missione fu celebrato allo stesso modo di una tradizionale vittoria militare; tale era il valore e l’importanza del nichel per la macchina da guerra tedesca. All’apice della produzione bellica, il Canada, la prima fonte mondiale di nichel, produceva circa 92 milioni di libbre di nichel all’anno.

L’armistizio e poi la Grande Depressione fecero sì che l’industria del nichel subisse un momentaneo calo tra le due guerre mondiali. La produzione di equipaggiamenti militari era diminuita drasticamente mentre il mondo industriale concentrava i suoi sforzi sui beni di consumo. I progressi nel motore a combustione durante gli anni ’30, tuttavia, contribuirono a mantenere alta la domanda di certi acciai al nichel desiderati per la loro capacità di resistere ai guasti alle alte temperature. Questa proprietà era cruciale in parti come le teste dei cilindri e i pistoni che subiscono pressioni esplosive a temperature molto alte.

L’inizio della seconda guerra mondiale aumentò la domanda di acciaio e nichel ancora una volta. Durante il conflitto la produzione di leghe di nichel eguagliò il totale della produzione dei 54 anni precedenti. Il Canada, insieme al governo britannico, ha essenzialmente regolato il mercato mondiale del nichel durante la seconda guerra mondiale e ha anche posto delle restrizioni sul suo uso in beni di consumo non essenziali. Questo limitò gravemente la quantità di nichel disponibile per le potenze dell’Asse, e i depositi di nichel divennero presto una preoccupazione strategica per i tedeschi. Furono lanciate operazioni militari per portare i depositi di nichel sotto il controllo tedesco. La miniera di nichel di Petsamo in Finlandia, precedentemente bloccata dall’esercito sovietico invasore, fu catturata dai tedeschi nel 1940 e divenne un’importante fonte di nichel rinforzante per l’acciaio per la guerra tedesca.

Aerei, motori a reazione e oltre

Nuove prodezze in velocità e potenza vennero dallo sviluppo dei primi motori a reazione durante la seconda guerra mondiale e negli anni 50. Questi nuovi motori creavano getti di gas ad alta pressione usando turbine che giravano rapidamente per comprimere l’aria ed espellerla attraverso gli ugelli di scarico. Le turbine a rotazione rapida raggiungevano alte temperature e sollecitazioni e ancora una volta richiedevano nuove leghe metalliche per resistere a queste forze. Il nichel fu usato come agente di rinforzo in molte di queste leghe. Simili esigenze di resistenza alle sollecitazioni e alle temperature hanno spinto l’uso di leghe contenenti nichel nella fiorente corsa allo spazio. I motori dei razzi hanno esigenze ingegneristiche simili a quelle dei motori a reazione a causa dell’alta temperatura e pressione dei gas di scarico, e devono anche sopportare vibrazioni estreme causate dalla combustione dei combustibili dei razzi. La prima industria spaziale ha usato il nichel insieme ad altri materiali ad alta resistenza come il titanio per creare nuove classi di superleghe in grado di sopportare le turbolenze del volo spaziale.

Nickel Today

Studi recenti hanno dimostrato che la lavorazione e la raffinazione del nichel possono produrre conseguenze dannose per la salute. Le ricerche degli anni ’60 hanno mostrato le prime indicazioni che i composti del nichel, come il carbonile di nichel, possono causare tumori ai polmoni nei topi di laboratorio. Studi successivi condotti negli anni ’80 dalla United States Environmental Protection Agency (EPA) hanno dimostrato che l’esposizione prolungata ad alti livelli di polvere di raffineria di nichel, carbonile di nichel o subsolfuro di nichel – tutti sottoprodotti diretti della raffinazione del nichel e della lavorazione dei metalli – potrebbe causare il cancro. L’inalazione di fumi contenenti nichel dalla saldatura dell’acciaio inossidabile è stata anche trovata associata ad un aumento del rischio di cancro. Questo ha portato a regolamenti federali che limitano la quantità di certi composti di nichel accettabili sul posto di lavoro e nell’ambiente.

Se inalato in certe forme ad alte concentrazioni per un periodo di tempo abbastanza lungo, il nichel è effettivamente cancerogeno per gli esseri umani. Le moderne pratiche di igiene industriale hanno aiutato a frenare queste complicazioni per la salute indotte dal nichel.

L’effetto legato alla salute più comune dell’esposizione al nichel è di gran lunga una reazione allergica. Alcune persone sono geneticamente predisposte a diventare sensibilizzate al nichel se maneggiano direttamente il metallo abbastanza spesso. Una volta sensibilizzati, la dermatite – una reazione allergica sulla pelle – può verificarsi nel sito di contatto, causando eruzioni cutanee e, in casi estremi, attacchi d’asma. Si stima che dal 5 al 10 per cento della popolazione sia suscettibile di allergie al nichel.

Anche se il nichel è usato principalmente nell’industria dell’acciaio per rafforzare e aggiungere resistenza alla corrosione agli acciai di alta qualità, ha trovato la sua strada in una serie di oggetti quotidiani. Gli oggetti domestici contenenti nichel includono rubinetti, utensili da cucina, elettrodomestici, batterie ricaricabili (varietà nichel-cadmio o Ni-Cad), gioielli e naturalmente monete. Come gli antichi, la maggior parte di noi probabilmente usa prodotti al nichel senza nemmeno saperlo.

Le fonti includono:

-Agenzia per le sostanze tossiche e il registro delle malattie (ATSDR). 1997. Profilo tossicologico per il nichel. Atlanta, GA: U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service.

-Aitchison, Leslie. Una storia dei metalli. Londra: MacDonald and Evans Ltd., 1960.

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-Howard-White, F. B. Nickel: an Historical Review. New York: D. Van Nostrand Company, Inc., 1963.

-John Harte, Holdren, Schneider e Shirley. Toxics A to Z: a Guide to Everyday Pollution Hazards. Berkley, CA: University of California Press, 1991.

-Klaasen, Curtis D. Carasett and Doull’s Toxicology: La scienza di base dei veleni. New York: McGraw-Hill, 2001.

-Nriagu, Jerome O. Nickel in the Environment. New York: Wiley, 1980.

-Winter, Mark. Nichel: Informazioni chiave. 2002. Università di Sheffield. 4 settembre 2002.

Peter Ostendorp
Center for Environmental Health Sciences
Science Writing Intern