Theo The Conversation, trong suốt lịch sử, vật liệu đã âm thầm định hình hướng đi của nền văn minh nhân loại, tạo thành công cụ, nhà ở, thiết bị và cấu trúc kinh tế. Những vật liệu mới được phát hiện có thể gây ra hiệu ứng lan tỏa, tạo ra các ngành công nghiệp mới, thay đổi cân bằng địa chính trị và làm thay đổi thói quen hàng ngày của con người. Thủy tinh, thép và đất hiếm là những ví dụ nổi bật về cách thức các đổi mới trong khoa học vật liệu đã thúc đẩy thay đổi công nghệ và tác động đến nền kinh tế toàn cầu, chính trị và môi trường.
Thủy tinh
Vào đầu thế kỷ 13, sau khi thành phố Constantinople, thủ đô của đế chế Đông La Mã, bị cướp phá, một số thợ thủy tinh xuất sắc đã phải rời quê hương và định cư tại Venice, nơi được xem là trung tâm kinh tế và chính trị mạnh mẽ vào thời điểm đó. Giới quý tộc địa phương nhanh chóng đón nhận những sản phẩm kính đẹp mắt của các thợ thủ công, và để ngăn ngừa nguy cơ hỏa hoạn từ lò nung, họ đã đày các thợ thủy tinh đến đảo Murano.
Murano sau đó trở thành trung tâm chế tác kính. Vào thế kỷ 15, thợ thủy tinh Angelo Barovier đã thử nghiệm thêm tro từ cây đốt cháy chứa muối kali vào thủy tinh. Muối kali giúp giảm nhiệt độ nóng chảy và làm cho thủy tinh lỏng trở nên linh hoạt hơn, đồng thời loại bỏ bong bóng trong thủy tinh và cải thiện độ trong. Loại thủy tinh trong suốt này sau đó được ứng dụng vào kính lúp và kính mắt.
Khi máy in của Johannes Gutenberg được hoàn thành vào năm 1455, việc đọc sách trở nên dễ tiếp cận hơn với người dân khắp châu Âu. Nhu cầu về kính đọc sách tăng cao, đặc biệt trong giới học giả, thương nhân và tu sĩ, đủ để ngành sản xuất kính mắt trở thành một nghề nghiệp chính thức. Đến đầu thế kỷ 17, kính mắt đã phát triển thành một thiết bị quang học phức hợp. Nhà thiên văn học Galileo Galilei sử dụng kính viễn vọng để quan sát các thiên thể, trong khi nhà khoa học người Hà Lan Antonie van Leeuwenhoek phát hiện sự sống vi sinh nhờ kính hiển vi.
Kính viễn vọng và kính hiển vi đã mang lại những thay đổi sâu sắc. Kính viễn vọng giúp tái định nghĩa nhiều quan điểm vũ trụ, trong khi kính hiển vi mở ra các lĩnh vực mới trong sinh học và y học. Những bước tiến này đánh dấu sự khởi đầu của khoa học thực nghiệm, nơi quan sát và đo lường trở thành nền tảng để tạo ra tri thức. Ngày nay, kính viễn vọng không gian James Webb và đài quan sát Vera C. Rubin tiếp nối di sản của thế hệ kính viễn vọng đầu tiên trong việc mở rộng tri thức của nhân loại.
Thép
Vào cuối thế kỷ 18 và 19, cách mạng công nghiệp đã tạo ra nhu cầu về vật liệu bền và đáng tin cậy hơn để sản xuất máy móc, đường sắt, tàu thuyền và xây dựng cơ sở hạ tầng. Thép, với đặc tính cứng và bền, đã trở thành vật liệu lựa chọn nhờ giá thành phải chăng và khả năng đáp ứng nhu cầu công nghiệp. Thép là hợp kim chủ yếu từ sắt, với một lượng nhỏ carbon và các nguyên tố khác. Những quốc gia sản xuất thép quy mô lớn đã nắm giữ quyền lực kinh tế và chính trị to lớn, ảnh hưởng đến các quyết định địa chính trị.
Nhà phát minh người Anh Benjamin Huntsman đã phát triển quy trình nấu chảy sử dụng các bình gốm cao gần một mét, gọi là nồi nấu, vào thế kỷ 18 tại Sheffield. Quy trình này đã tạo ra thép chất lượng cao để sản xuất công cụ và vũ khí. Một trăm năm sau, Henry Bessemer, một nhà phát minh khác ở Anh, phát triển quy trình sản xuất thép thổi oxy, giúp tăng tốc độ sản xuất và giảm chi phí. Tại Mỹ, doanh nhân Andrew Carnegie, với biệt danh "Vua thép", đã xây dựng một ngành công nghiệp thép rộng lớn dựa trên quy trình này.
Sự sẵn có của thép đã thay đổi cách thức xã hội xây dựng, di chuyển và phòng thủ. Các tòa nhà chọc trời và hệ thống giao thông làm từ thép đã giúp các thành phố phát triển, trong khi tàu chiến và xe tăng làm từ thép đã tăng cường sức mạnh quân đội. Thép trong ôtô cũng đã trở nên phổ biến trong đời sống tiêu dùng. Kiểm soát tài nguyên và cơ sở hạ tầng đã biến thép trở thành nền tảng cho quyền lực quốc gia. Trung Quốc, với sự thống trị về thép trong thế kỷ 21, tiếp nối mô hình này. Từ năm 1995 đến 2015, đóng góp của Trung Quốc vào sản xuất thép toàn cầu tăng từ khoảng 10% lên hơn 50%.
Đất hiếm
Vào đầu thế kỷ 21, sự phát triển của công nghệ kỹ thuật số và sự chuyển hướng sang nền kinh tế dựa vào năng lượng tái tạo đã làm tăng nhu cầu về các nguyên tố đất hiếm. Theo Britannica, đất hiếm là nhóm 17 nguyên tố hóa học tương tự nhau, bao gồm neodymium, dysprosium, samarium và một số nguyên tố khác. Các nguyên tố này thường tồn tại trong tự nhiên theo nhóm và là thành phần chính của các nam châm siêu mạnh, rất cần thiết trong sản xuất động cơ điện hiệu suất cao, tuabin gió và thiết bị điện tử. Tuy nhiên, việc tách và tinh chế đất hiếm là quy trình phức tạp và tốn kém.
Trung Quốc hiện kiểm soát phần lớn công suất xử lý đất hiếm toàn cầu. Các căng thẳng chính trị, đặc biệt là về thuế thương mại và sự cạnh tranh chiến lược, có thể dẫn đến nguy cơ thiếu hụt hoặc gián đoạn chuỗi cung ứng đất hiếm.
Kim loại hiếm
Kim loại hiếm, bao gồm những nguyên tố như vàng, platinum, và các kim loại nhóm đất hiếm như neodymium và dysprosium, là các vật liệu không thể thiếu trong các công nghệ tiên tiến của thế kỷ 21. Những nguyên tố này có tính chất đặc biệt như khả năng chống ăn mòn, độ bền cao và khả năng dẫn điện, làm cho chúng trở thành thành phần quan trọng trong các ứng dụng công nghệ cao như động cơ điện, pin xe điện, và các thiết bị điện tử.
Kim loại hiếm không chỉ đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử mà còn có tác động sâu rộng đến chính trị và nền kinh tế toàn cầu. Việc khai thác và kiểm soát các nguồn kim loại hiếm đã làm dấy lên những cuộc cạnh tranh quốc tế về tài nguyên, nhất là khi Trung Quốc nắm giữ phần lớn trữ lượng kim loại hiếm toàn cầu. Những thay đổi trong nguồn cung và giá trị của kim loại hiếm có thể tác động trực tiếp đến các ngành công nghiệp lớn như sản xuất ô tô điện, công nghiệp hàng không vũ trụ, và công nghệ pin.
Nhờ vào các đặc tính vượt trội, kim loại hiếm tiếp tục đóng góp vào sự phát triển của nhiều lĩnh vực và có tiềm năng thay đổi cách chúng ta sử dụng năng lượng và phát triển các công nghệ mới trong tương lai.
Graphene
Graphene, một vật liệu siêu mỏng chỉ dày một nguyên tử, đã gây ra một cuộc cách mạng trong nghiên cứu vật liệu kể từ khi được phát hiện vào đầu thế kỷ 21. Là một dạng của carbon, graphene có tính dẫn điện và dẫn nhiệt vượt trội, độ bền cực kỳ cao và có thể được sử dụng trong một loạt ứng dụng công nghệ, từ điện tử, pin, đến các vật liệu siêu bền. Chính những đặc tính ưu việt này đã khiến graphene trở thành một trong những vật liệu có triển vọng nhất trong ngành công nghiệp hiện đại.
Graphene có tiềm năng thay đổi nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong ngành công nghệ và điện tử. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm các loại màn hình điện thoại, cảm biến, pin sạc nhanh, và các thiết bị điện tử mỏng nhẹ và tiết kiệm năng lượng. Graphene cũng được kỳ vọng sẽ có ảnh hưởng lớn trong ngành y tế, nơi nó có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị y sinh siêu mỏng hoặc cải thiện công nghệ chữa bệnh thông qua các loại thuốc chuyên biệt.
Ngoài ra, graphene có thể đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các công nghệ năng lượng sạch và bền vững, chẳng hạn như trong các tuabin gió hiệu quả hơn hoặc trong việc lưu trữ và chuyển đổi năng lượng mặt trời. Tác động của graphene đối với nền kinh tế toàn cầu và môi trường có thể sẽ tiếp tục gia tăng trong những thập kỷ tới, khi các công nghệ liên quan đến vật liệu này phát triển hơn nữa.
