Sursă necunoscută de rezistență

Oamenii folosesc nichel cam de când produc obiecte metalice. Un element relativ abundent – al 24-lea cel mai abundent de pe Pământ – nichelul se găsește în depozitele de minereuri metalice din întreaga lume. Anticii prețuiau aceste minereuri ca sursă de metale cu proprietăți dezirabile, cum ar fi rezistența și flexibilitatea, și le foloseau pentru a fabrica orice, de la monede la cuțite, topoare și arme. Cu toate acestea, caracteristicile dezirabile ale acestor aliaje metalice erau adesea atribuite prezenței cuprului sau a fierului. De fapt, arheologii au discernut din artefactele metalice antice că „fierul” societăților timpurii care foloseau metale era de fapt un amestec care conținea între 5 și 26 la sută nichel.

Cu mult timp înainte ca nichelul să fie izolat, chinezii antici au dezvoltat un material numit paitung (numit și paktong sau tutenag) care era apreciat pentru strălucirea și rezistența sa argintie. Potrivit manuscriselor chinezești, paitungul a fost folosit încă din secolul al III-lea d.Hr. în arme, monede și opere de artă. Se crede că paitungul conținea în principal cupru și nichel, cu cantități mici de zinc și staniu.

De asemenea, în Europa, nichelul și-a găsit loc în aliaje fără ca fierarii și topitorii din acea vreme să știe. Aliajele de nichel au fost folosite pentru a produce armuri cu plăci și lanțuri în timpul Evului Mediu, iar abundența relativă a minereurilor care conțin nichel a făcut din acesta o modalitate ieftină de a adăuga un luciu fin monedei. Dar abia după descoperirea nichelului în 1750, acest aditiv metalic comun a fost izolat și înțeles.

Activitatea minieră din regiunea Saxonia din Germania a dus în cele din urmă la descoperirea nichelului. În 1750, topitorii de cupru din Saxonia au descoperit un minereu de cupru deosebit, care avea o culoare ușor mai deschisă decât de obicei. Când a fost prelucrat și rafinat, acest minereu a dat o formă neobișnuită de cupru care era deosebit de strălucitoare și argintie. S-a constatat, de asemenea, că această formă ciudată de cupru avea proprietăți materiale distinct diferite. Era extrem de dur și nu putea fi făcut maleabil, în ciuda încercărilor repetate ale topitorilor. Noul metal a devenit cunoscut sub numele de Kupfernickel, care se traduce aproximativ prin „cupru cu diavolul în el”. Compoziția acestui aliaj era, de fapt, foarte asemănătoare cu paitungul din China antică.

Nichelul – componenta misterioasă a Kupfernickel-ului care îi conferea aceste proprietăți distinctive – a fost în cele din urmă „descoperit” și izolat dintr-un mineral numit niccolit de către mineralogul suedez baronul Axel Frederik Cronstedt în 1751. Baronul, la fel ca și topitorii sași, se așteptase mai întâi să extragă cupru din acest mineral, dar, în schimb, procedura sa a dus la obținerea unui metal alb și puternic. Incapabil să compare materialul cu orice alt metal cunoscut, baronul a stabilit că a izolat componenta enigmatică a Kupfernickel și a numit noul metal „nichel”, după numele diavolului însuși, „Old Nick.”

Nickel and Dimed

Atât societățile moderne, cât și cele antice au folosit nichelul pentru a adăuga strălucire și pentru a reduce greutatea monedelor și pentru a le crește rezistența la coroziune și uzură. Dar practica de a adăuga nichel în aliajele pentru monede a devenit mai frecventă pe măsură ce națiunile au început să se convertească la sisteme de curs de schimb valutar flotant, în care valoarea materialului fizic dintr-o monedă nu mai trebuia să corespundă cu valoarea sa nominală. Pe măsură ce schimbul valutar a încetat să mai fie legat de standardele aurului și argintului, Elveția a devenit prima dintre numeroasele națiuni moderne care a folosit nichel în monede. Prima monedă din nichel pur a fost emisă de Elveția în 1881, Austria și Ungaria urmându-i exemplul în 1893.

La sfârșitul anilor 1850, Statele Unite au adăugat nichel atât la moneda de un penny, cât și la piesa de cinci cenți, care anterior conțineau în principal cupru și zinc (bronz). Cuvântul „nichel” a devenit un termen popular pentru piesa de cinci cenți în sine, în ciuda faptului că majoritatea monedei era din cupru (moneda americană de nichel din anii 1800 conținea 75 la sută cupru și 25 la sută nichel). Moneda era foarte căutată, deoarece era o valoare nominală convenabilă pentru multe articole de zi cu zi, cum ar fi berea și țigările. Apariția aparatelor de joc și omniprezența tarifelor de nichel în autobuze și metrouri au contribuit, de asemenea, la stimularea popularității acestei monede. Se estimează că, până în 1958, Statele Unite ale Americii au emis peste 4 miliarde de monede de 5 cenți.

De la meteoriți la mașini

Chiar la un secol după ce elementul nichel a fost izolat, oamenii de știință și inginerii nu au exploatat pe deplin proprietățile sale materiale unice. Nichelul este un metal de tranziție care formează aliaje cu o multitudine de alte metale de tranziție, cum ar fi cuprul, zincul, fierul, argintul, cadmiul și cromul. Este în același timp puternic – rezistă la fractură în condiții de stres ridicat – și ductil – se îndoaie în loc să se fisureze sub tensiune. Aceasta este o combinație valoroasă de proprietăți. Inginerii caută această combinație de proprietăți atunci când proiectează structuri precum podurile, care trebuie să reziste la sarcini grele, dar și să se îndoaie sub presiune mai degrabă decât să crape.

Poveștile despre astfel de materiale miraculoase au fost transmise de-a lungul istoriei. Lamele legendare de sabie din Damasc și Arabia antică erau cunoscute pe scară largă pentru rezistența și duritatea lor extremă. Despre pietrele sfinte, cum ar fi piatra neagră de la Kaaba din Mecca, se spunea că au proprietăți magice, probabil magnetism. Aceste arme faimoase și relicve sfinte sunt compuse din fier care a căzut din cer în meteoriți. Acest fier meteroic conține adesea cantități mari de nichel. Creatorii de arme antice care și-au confecționat cuțitele din acesta au dat peste un aliaj de oțel inoxidabil primitiv, de mare rezistență și rezistent la rugină. Aveau să treacă secole până când știința din spatele acestor materiale magice avea să fie explicată.

În anii 1700, pe măsură ce Revoluția Industrială a răsărit mai întâi în Anglia și apoi în Europa continentală și în Statele Unite, dezvoltarea echipamentelor industriale și a motoarelor cu aburi, în special, a dat naștere unei căutări de materiale mai rezistente decât cele disponibile în acel moment. Primii cercetători în domeniul materialelor au dezvoltat aliaje de oțel pentru a satisface această nevoie. Oțelul este produs atunci când fierul este combinat cu cantități mici de carbon, care ajută la stabilizarea și întărirea structurii cristaline a fierului. Adăugarea unor cantități mici de alte elemente, cum ar fi zincul, cromul și nichelul, sporește rezistența, ductilitatea, rezistența la coroziune și finisajul oțelului.

La o jumătate de secol de la descoperirea nichelului, Michael Faraday – celebru și pentru descoperirea inducției electromagnetice și a Legii lui Faraday, baza teoriei moderne a câmpurilor – a propus pentru prima dată ca nichelul să fie adăugat la oțel pentru a-i îmbunătăți proprietățile materiale. Într-o scrisoare adresată profesorului de la Rive de la Royal Institution în 1820, el a scris: „Am fost determinați de ideea populară că fierul meteoric nu ar rugini, să încercăm efectul nichelului asupra oțelului și fierului”. În ciuda eșecurilor inițiale, Faraday a reușit să alieze cu succes cantități mici de nichel cu oțelul, producând materiale care erau mai rezistente, dar totuși maleabile și prelucrabile ca oțelul obișnuit. Lucrările continuate de metalurgistul elvețian J.C. Fischer în 1824 au dus la imitații reușite ale fierului meteoric.

Aceste descoperiri timpurii au pus bazele oțelurilor inoxidabile și structurale avansate, realizate din aliaje cu rezistență sporită la coroziune și rezistență. Armura din oțel fortificat cu nichel a fost folosită în curând la navele de război la mijlocul și sfârșitul anilor 1800. Cercetările lui Michael Faraday privind electrochimia diferitelor metale – disponibilitatea lor de a interacționa cu curenții electrici – au sporit utilizările nichelului. Până în anii 1840, metalurgiștii au reușit să placheze nichel pe alte suprafețe metalice prin utilizarea unui curent electric pentru a atrage sărurile de nichel dizolvate și ionii de nichel pe suprafața electrozilor metalici. Aceste acoperiri au oferit rezistență la uzură și rugină pentru numeroase produse, de la ustensile de gătit la instalații sanitare.

Alimentarea flăcărilor războiului

În timpul Primului Război Mondial, valoarea nichelului a crescut dramatic din cauza noilor cereri de oțel inoxidabil de înaltă rezistență pentru arme, muniții și vehicule. Nichelul era acum nu numai o componentă importantă în monedă, ci și o resursă naturală valoroasă căutată de toate facțiunile beligerante. În 1916, un submarin german și-a pus viața în pericol în timp ce încerca să străpungă blocada britanică pentru a obține o mică încărcătură de nichel canadian. Misiunea reușită a fost sărbătorită în același mod ca o victorie militară tradițională; atât de mare era valoarea și importanța nichelului pentru mașina de război germană. La apogeul producției din timpul războiului, Canada, prima sursă de nichel din lume, producea aproximativ 92 de milioane de lire sterline de nichel pe an.

Armistițiul și, mai târziu, Marea Depresiune au făcut ca industria nichelului să se prăbușească momentan între cele două războaie mondiale. Producția de echipamente militare a scăzut dramatic, deoarece lumea industrială și-a reorientat eforturile către bunurile de consum. Cu toate acestea, progresele în domeniul motoarelor cu combustie din anii 1930 au ajutat la menținerea unei cereri ridicate pentru anumite oțeluri cu nichel, dorite pentru capacitatea lor de a rezista la defecțiuni la temperaturi ridicate. Această proprietate a fost crucială în piese precum capetele de cilindru și pistoanele care se confruntă cu presiuni explozive la temperaturi foarte ridicate.

Începutul celui de-al Doilea Război Mondial a crescut din nou cererea de oțel și nichel. În timpul conflictului, producția de aliaje de nichel a egalat producția totală din cei 54 de ani anteriori. Canada, în colaborare cu guvernul britanic, a reglementat în esență piața mondială a nichelului în timpul celui de-al Doilea Război Mondial și chiar a impus restricții privind utilizarea acestuia în bunuri de consum neesențiale, neesențiale. Acest lucru a limitat drastic cantitatea de nichel disponibilă pentru puterile Axei, iar depozitele de minereu de nichel au devenit în curând o preocupare strategică pentru germani. Au fost lansate operațiuni militare pentru a aduce depozitele de nichel sub control german. Mina de nichel Petsamo din Finlanda, care fusese oprită anterior de armata sovietică invadatoare, a fost capturată de germani în 1940 și a devenit o sursă majoră de nichel pentru întărirea oțelului în timpul războiului german.

Aeronave, motoare cu reacție și dincolo de ele

Noi performanțe în materie de viteză și putere au venit din dezvoltarea primelor motoare cu reacție în timpul celui de-al Doilea Război Mondial și până în anii 1950. Aceste noi motoare au creat jeturi de gaz de înaltă presiune prin utilizarea unor turbine care se roteau rapid pentru a comprima aerul și a-l ejecta prin duzele de evacuare. Turbinele cu rotire rapidă au atins temperaturi și tensiuni ridicate și au necesitat din nou noi aliaje metalice pentru a rezista la aceste forțe. Nichelul a fost utilizat ca agent de întărire în multe dintre aceste aliaje. Nevoi similare de rezistență la tensiuni și temperaturi au determinat utilizarea aliajelor care conțin nichel în cursa spațială în plină expansiune. Motoarele de rachetă au cerințe inginerești similare cu cele ale motoarelor cu reacție din cauza temperaturii și presiunii ridicate a gazelor de eșapament și, de asemenea, trebuie să suporte vibrații extreme cauzate de arderea combustibililor pentru rachete. Industria spațială timpurie a folosit nichelul împreună cu alte materiale de înaltă rezistență, cum ar fi titanul, pentru a crea noi clase de superaliaje capabile să reziste la turbulențele zborurilor spațiale.

Nickel Today

Studii recente au arătat că prelucrarea și rafinarea nichelului pot avea consecințe nocive asupra sănătății. Cercetările din anii 1960 au arătat primele indicii că compușii de nichel, cum ar fi carbonilul de nichel, ar putea provoca tumori pulmonare la șobolanii de laborator. Studii ulterioare efectuate în anii 1980 de către Agenția pentru Protecția Mediului din Statele Unite ale Americii (EPA) au demonstrat că expunerea prelungită la niveluri ridicate de praf de rafinărie de nichel, carbonil de nichel sau subsulfură de nichel – toate subproduse directe ale rafinării nichelului și ale prelucrării metalelor – ar putea provoca cancer. S-a constatat, de asemenea, că inhalarea de vapori care conțin nichel în urma sudării oțelului inoxidabil este asociată cu un risc crescut de cancer. Acest lucru a condus la reglementări federale care au limitat cantitatea de anumiți compuși de nichel acceptabilă la locul de muncă și în mediul înconjurător.

Dacă este inhalat în anumite forme, în concentrații ridicate, pe o perioadă suficient de lungă de timp, nichelul este într-adevăr cancerigen pentru ființele umane. Practicile moderne de igienă industrială au ajutat la limitarea acestor complicații de sănătate induse de nichel.

De departe cel mai frecvent efect legat de sănătate al expunerii la nichel este o reacție alergică. Unii oameni sunt predispuși genetic să devină sensibilizați la nichel dacă manipulează direct metalul suficient de des. Odată sensibilizați, dermatita – o reacție alergică la nivelul pielii – poate apărea la locul de contact, provocând erupții cutanate și, în cazuri extreme, crize de astm. Se estimează că între 5 și 10 la sută din populație este predispusă la alergii la nichel.

Chiar dacă nichelul este folosit în principal în industria siderurgică pentru a întări și a adăuga rezistență la coroziune la oțelurile de înaltă calitate, acesta și-a găsit loc într-o multitudine de obiecte de zi cu zi. Printre obiectele de uz casnic care conțin nichel se numără robinetele, ustensilele de bucătărie, aparatele electrocasnice, bateriile reîncărcabile (varietatea nichel-cadmiu sau Ni-Cad), bijuteriile și, bineînțeles, monedele. Ca și anticii, cei mai mulți dintre noi folosesc probabil produse din nichel fără să știe.

Sursele includ:

-Agenția pentru Substanțe Toxice și Registrul Bolilor (ATSDR). 1997. Profil toxicologic pentru nichel. Atlanta, GA: U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service.

-Aitchison, Leslie. O istorie a metalelor. Londra: MacDonald and Evans Ltd., 1960.

-Enciclopedia de Toxicologie. ed. Philip Wexler. Boston: Academic Press, 1998.

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

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

-John Harte, Holdren, Schneider și Shirley. Toxics de la A la Z: un ghid al pericolelor de poluare zilnică. Berkley, CA: University of California Press, 1991.

-Klaasen, Curtis D. Carasett and Doull’s Toxicology: Știința de bază a otrăvurilor. New York: McGraw-Hill, 2001.

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

-Winter, Mark. Nickel: Informații cheie. 2002. Universitatea din Sheffield. 4 septembrie 2002.

Peter Ostendorp
Center for Environmental Health Sciences
Science Writing Intern

.