Unknown Source of Strength

Ludzie używali niklu mniej więcej tak długo, jak produkowali metalowe wyroby. Stosunkowo obfity pierwiastek – 24. najbardziej obfity na Ziemi – nikiel znajduje się w złożach rud metali na całym świecie. Starożytni cenili te rudy jako źródło metali o pożądanych właściwościach, takich jak wytrzymałość i elastyczność, i wykorzystywali je do produkcji wszystkiego, od monet po noże, topory i broń. Pożądane cechy tych stopów metali były jednak często przypisywane obecności miedzi lub żelaza. W rzeczywistości archeolodzy odkryli na podstawie starożytnych artefaktów metalowych, że „żelazo” wczesnych społeczeństw wykorzystujących metal było w rzeczywistości mieszaniną zawierającą od 5 do 26 procent niklu.

Na długo przed wyizolowaniem niklu starożytni Chińczycy opracowali materiał zwany paitung (zwany również paktong lub tutenag), który był ceniony za swój srebrzysty połysk i wytrzymałość. Według chińskich manuskryptów, paitung był używany już w III wieku n.e. w broni, monetach i dziełach sztuki. Uważa się, że paitung zawierał głównie miedź i nikiel z niewielkimi ilościami cynku i cyny.

W Europie również nikiel znalazł się w stopach, o czym nie wiedzieli ówcześni kowale i hutnicy. Stopy niklu były używane do produkcji zbroi płytowych i łańcuchowych w średniowieczu, a względna obfitość rud zawierających nikiel sprawiła, że był to niedrogi sposób na dodanie szlachetnego połysku do monet. Jednak dopiero odkrycie niklu w 1750 roku pozwoliło na wyizolowanie i zrozumienie tego powszechnego dodatku do metali.

Działalność górnicza w regionie Saksonii w Niemczech ostatecznie doprowadziła do odkrycia niklu. W 1750 roku hutnicy miedzi w Saksonii odkryli osobliwą rudę miedzi, która była nieco jaśniejsza w kolorze niż zwykle. Po przetworzeniu i rafinacji, ruda ta przyniosła niezwykłą formę miedzi, która była szczególnie jasne i srebrzyste. Okazało się również, że ta dziwna forma miedzi miała wyraźnie odmienne właściwości materiałowe. Była niezwykle twarda i nie dało się jej przerobić na plastyczną, mimo wielokrotnych prób hutników. Nowy metal stał się znany jako Kupfernickel, co w przybliżeniu oznacza „miedź z diabłem w środku”. Skład tego stopu był w rzeczywistości bardzo podobny do paitungu ze starożytnych Chin.

Nikel – tajemniczy składnik Kupfernickel, który nadał mu te charakterystyczne właściwości – został w końcu „odkryty” i wyizolowany z minerału zwanego nikkolitem przez szwedzkiego mineraloga barona Axela Frederika Cronstedta w 1751 roku. Baron, podobnie jak saksońscy hutnicy, spodziewał się najpierw wydobyć z tego minerału miedź, ale zamiast tego jego procedura dała mocny, biały metal. Nie mogąc porównać materiału z żadnym znanym metalem, baron uznał, że wyizolował enigmatyczny składnik Kupfernickel i nazwał nowy metal „nikiel” od imienia samego diabła, „Starego Nicka”.”

Nickel and Dimed

Zarówno współczesne, jak i starożytne społeczeństwa używały niklu, aby dodać blasku i zmniejszyć wagę monet oraz zwiększyć ich odporność na korozję i zużycie. Ale praktyka dodawania niklu do stopów monet stała się bardziej powszechna, gdy narody zaczęły przechodzić na systemy płynnych kursów wymiany, w których wartość fizycznego materiału w monecie nie musiała już odpowiadać jej wartości nominalnej. Ponieważ wymiana walut przestała być powiązana ze standardami złota i srebra, Szwajcaria stała się pierwszym z wielu nowoczesnych krajów, który zastosował nikiel w monetach. Pierwsza moneta z czystego niklu została wyemitowana przez Szwajcarię w 1881 roku, a Austria i Węgry poszły w ich ślady w 1893 roku.

Pod koniec lat 50-tych XIX wieku Stany Zjednoczone dodały nikiel do swoich pięciocentówek, które wcześniej zawierały głównie miedź i cynk (brąz). Słowo „nikiel” stało się popularnym określeniem dla samego pięciocentówki, pomimo faktu, że większość monety stanowiła miedź (amerykańska moneta niklowa z 1800 roku zawierała 75% miedzi i 25% niklu). Moneta cieszyła się dużym popytem, ponieważ stanowiła wygodny nominał dla wielu przedmiotów codziennego użytku, takich jak piwo czy cygara. Pojawienie się automatów do gry oraz wszechobecność niklowych opłat za przejazd autobusami i metrem również przyczyniły się do wzrostu popularności tej monety. Szacuje się, że do 1958 roku Stany Zjednoczone wyemitowały ponad 4 miliardy nikli.

Od meteorów do maszyn

Nawet sto lat po wyizolowaniu pierwiastka niklu naukowcy i inżynierowie nie wykorzystali w pełni jego unikalnych właściwości materiałowych. Nikiel jest metalem przejściowym, który tworzy stopy z wieloma innymi metalami przejściowymi, takimi jak miedź, cynk, żelazo, srebro, kadm i chrom. Jest zarówno wytrzymały – odporny na złamania pod wpływem dużych naprężeń – jak i plastyczny – zgina się, a nie pęka pod wpływem naprężeń. Jest to cenne połączenie właściwości. Inżynierowie szukają tej kombinacji właściwości podczas projektowania struktur takich jak mosty, które muszą wytrzymać duże obciążenia, ale także zginać się pod ciśnieniem, a nie pękać.

Tales of such miracle materials have been passed down through history. Legendarne ostrza mieczy starożytnego Damaszku i Arabii były powszechnie znane ze swojej ekstremalnej wytrzymałości i twardości. O świętych kamieniach, takich jak czarny kamień z Kaaby w Mekce, mówiono, że mają magiczne właściwości, prawdopodobnie magnetyzm. Te słynne bronie i święte relikwie składają się z żelaza, które spadło z nieba w meteorach. To meteryczne żelazo często zawiera duże ilości niklu. Starożytni twórcy broni, którzy tworzyli z niego swoje ostrza, natknęli się na prymitywny, wytrzymały i odporny na rdzę stop stali nierdzewnej. Minęłyby wieki, zanim nauka stojąca za tymi magicznymi materiałami zostałaby wyjaśniona.

W latach siedemdziesiątych XVII wieku, kiedy rewolucja przemysłowa rozpoczęła się najpierw w Anglii, a następnie w Europie kontynentalnej i Stanach Zjednoczonych, rozwój urządzeń przemysłowych, a w szczególności silników parowych, zapoczątkował poszukiwania materiałów mocniejszych niż te obecnie dostępne. Pierwsi materiałoznawcy opracowali stopy stali, aby zaspokoić to zapotrzebowanie. Stal powstaje w wyniku połączenia żelaza z niewielką ilością węgla, który pomaga ustabilizować i wzmocnić strukturę krystaliczną żelaza. Dodanie niewielkich ilości innych pierwiastków, takich jak cynk, chrom i nikiel, zwiększa wytrzymałość, ciągliwość, odporność na korozję i wykończenie stali.

Pół wieku po odkryciu niklu Michael Faraday – znany również z odkrycia indukcji elektromagnetycznej i Prawa Faradaya, podstawy nowoczesnej teorii pola – po raz pierwszy zaproponował dodanie niklu do stali w celu poprawy jej właściwości materiałowych. W liście do profesora de la Rive z Royal Institution z 1820 roku napisał: „Do wypróbowania działania niklu na stal i żelazo skłoniła nas popularna idea, że żelazo meteoryczne nie rdzewieje”. Pomimo początkowych niepowodzeń, Faraday był w stanie z powodzeniem stopić niewielkie ilości niklu ze stalą, uzyskując materiały, które były mocniejsze, ale wciąż plastyczne i urabialne jak zwykła stal. Praca kontynuowana przez szwajcarskiego metalurga J.C. Fischer w 1824 roku doprowadziła do udanych imitacji meteorycznego żelaza.

Te wczesne odkrycia położyły podwaliny pod zaawansowane stale nierdzewne i konstrukcyjne wykonane ze stopów o zwiększonej odporności na korozję i wytrzymałości. Pancerz stalowy wzmocniony niklem został wkrótce wykorzystany w okrętach wojennych w połowie i pod koniec XIX wieku. Badania Michaela Faradaya nad elektrochemią różnych metali – ich skłonność do interakcji z prądami elektrycznymi – zwiększyły zastosowania niklu. W latach 40. XIX wieku metalurgowie byli w stanie pokryć niklem inne powierzchnie metalowe, wykorzystując prąd elektryczny do przyciągnięcia rozpuszczonych soli niklu i jonów niklu do powierzchni metalowych elektrod. Powłoki te zapewniały odporność na zużycie i rdzę wielu produktom, od naczyń kuchennych po armaturę wodno-kanalizacyjną.

Podsycanie płomieni wojny

Podczas I wojny światowej wartość niklu gwałtownie wzrosła z powodu nowego zapotrzebowania na wysokowytrzymałą stal nierdzewną do produkcji broni, amunicji i pojazdów. Nikiel był teraz nie tylko ważnym składnikiem waluty, ale także cennym zasobem naturalnym poszukiwanym przez wszystkie walczące frakcje. W 1916 r. niemiecka łódź podwodna ryzykowała życiem, próbując przedrzeć się przez brytyjską blokadę w celu zdobycia niewielkiego ładunku kanadyjskiego niklu. Udana misja była świętowana w taki sam sposób, jak tradycyjne zwycięstwo militarne; taka była wartość i znaczenie niklu dla niemieckiej machiny wojennej. W szczytowym okresie produkcji wojennej, Kanada, główne źródło niklu na świecie, produkowała około 92 milionów funtów niklu rocznie.

Rozejm, a później Wielki Kryzys spowodowały, że przemysł niklowy w okresie międzywojennym zanurkował na chwilę. Produkcja sprzętu wojskowego była w dół dramatycznie jak świat przemysłowy refocused swoje wysiłki na dobra konsumpcyjne. Postępy w silniku spalinowym w latach 30-tych, jednak pomógł utrzymać wysoki popyt na niektórych stali niklowych pożądanych za ich zdolność do oparcia się awarii w wysokich temperaturach. Właściwość ta była kluczowa w częściach takich jak głowice cylindrów i tłoków, które doświadczają wybuchowych ciśnień w bardzo wysokich temperaturach.

Początek II wojny światowej zwiększył popyt na stal i nikiel po raz kolejny. Podczas konfliktu produkcja stopów niklu zrównała się z produkcji całkowitej w ciągu poprzednich 54 lat. Kanada w połączeniu z rządem brytyjskim zasadniczo regulowane światowego rynku niklu w czasie II wojny światowej, a nawet umieścić ograniczenia na jego wykorzystanie w nieistotnych, dóbr konsumpcyjnych. To poważnie ograniczyło ilość niklu dostępnego dla mocarstw Osi, a złoża rudy niklu szybko stały się strategicznym problemem dla Niemców. Rozpoczęły się operacje wojskowe mające na celu przejęcie kontroli nad składami niklu przez Niemców. Kopalnia niklu w Petsamo w Finlandii, wcześniej zatrzymana przez nacierającą armię radziecką, została przejęta przez Niemców w 1940 roku i stała się głównym źródłem niklu wzmacniającego stal dla niemieckiej wojny.

Airplanes, Jet engines and Beyond

Nowe wyczyny w zakresie prędkości i mocy wynikały z rozwoju pierwszych silników odrzutowych podczas II wojny światowej i w latach 50-tych. Te nowe silniki tworzyły wysokociśnieniowe strumienie gazu, wykorzystując szybko obracające się turbiny do sprężania powietrza i wyrzucania go przez dysze wydechowe. Szybko obracające się turbiny osiągały wysokie temperatury i naprężenia, co ponownie wymagało nowych stopów metali, aby wytrzymać te siły. Nikiel był używany jako środek wzmacniający w wielu z tych stopów. Podobne zapotrzebowanie na odporność na naprężenia i temperaturę spowodowało zastosowanie stopów zawierających nikiel w rozwijającym się wyścigu kosmicznym. Silniki rakietowe mają podobne wymagania inżynieryjne jak silniki odrzutowe ze względu na wysoką temperaturę i ciśnienie gazów spalinowych, a także muszą wytrzymać ekstremalne wibracje spowodowane spalaniem paliw rakietowych. Wczesny przemysł kosmiczny wykorzystywał nikiel w połączeniu z innymi materiałami o wysokiej wytrzymałości, takimi jak tytan, do tworzenia nowych klas superstopów zdolnych wytrzymać turbulencje związane z lotami kosmicznymi.

Nickel Today

Ostatnie badania wykazały, że przetwarzanie i rafinacja niklu może mieć szkodliwy wpływ na zdrowie. Badania prowadzone w latach 60. wykazały wczesne oznaki, że związki niklu, takie jak karbonyl niklu, mogą powodować guzy płuc u szczurów laboratoryjnych. Późniejsze badania przeprowadzone w latach 80-tych przez Agencję Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych (EPA) wykazały, że długotrwałe narażenie na wysoki poziom pyłu z rafinerii niklu, karbonylku niklu lub podsiarczku niklu – wszystkie bezpośrednie produkty uboczne rafinacji niklu i przetwarzania metali – mogą powodować raka. Stwierdzono również, że wdychanie oparów zawierających nikiel podczas spawania stali nierdzewnej jest związane ze zwiększonym ryzykiem zachorowania na raka. Doprowadziło to do wprowadzenia przepisów federalnych ograniczających ilość niektórych związków niklu dopuszczalnych w miejscu pracy i środowisku.

Jeśli wdychany w pewnych formach w wysokich stężeniach przez wystarczająco długi okres czasu, nikiel jest rzeczywiście rakotwórczy dla ludzi. Nowoczesne praktyki higieny przemysłowej pomogły ograniczyć te powikłania zdrowotne wywołane przez nikiel.

Do tej pory najczęstszym skutkiem zdrowotnym narażenia na nikiel jest reakcja alergiczna. Niektórzy ludzie są genetycznie predysponowani do uczulenia na nikiel, jeśli bezpośrednio obsługują metal wystarczająco często. Po uwrażliwieniu, zapalenie skóry – reakcja alergiczna na skórze – może wystąpić w miejscu kontaktu, powodując wysypkę, a w skrajnych przypadkach ataki astmy. Szacuje się, że 5 do 10 procent populacji jest podatna na alergie niklu.

Chociaż nikiel jest używany głównie w przemyśle stalowym do wzmocnienia i dodać odporność na korozję do wysokiej jakości stali, znalazł swoją drogę do hosta przedmiotów codziennego użytku. Przedmioty gospodarstwa domowego zawierające nikiel to krany, naczynia kuchenne, urządzenia, akumulatory (niklowo-kadmowe lub Ni-Cad odmiany), biżuteria i oczywiście monety. Podobnie jak starożytni, większość z nas prawdopodobnie używa produktów zawierających nikiel, nawet o tym nie wiedząc.

Sources Include:

-Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). 1997. Toxicological profile for nickel. Atlanta, GA: U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service.

-Aitchison, Leslie. A History of Metals. Londyn: MacDonald and Evans Ltd., 1960.

-Encyclopedia of Toxicology. ed. Philip Wexler. Boston: Academic Press, 1998.

-Gmelins Handbuch der Inorganischen Chemie. Berlin: Springer-Verlag, 1924.

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

-John Harte, Holdren, Schneider i Shirley. Toxics A do Z: Przewodnik do codziennych zagrożeń zanieczyszczenia. Berkley, CA: University of California Press, 1991.

-Klaasen, Curtis D. Carasett and Doull’s Toxicology: Podstawowa nauka o truciznach. New York: McGraw-Hill, 2001.

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

-Winter, Mark. Nickel: Kluczowe informacje. 2002. The University of Sheffield. 4 września 2002.

Peter Ostendorp
Center for Environmental Health Sciences
Science Writing Intern

.