Epämetallit metallien valepuvussa

Kemian historia kytkeytyy koko ihmiskunnan historiaan. Palaminen on todennäköisesti ensimmäinen kemiallinen reaktio, jota ihminen on hyödyntänyt systemaattisesti ja kontrolloidusti jo kymmenien vuosituhansien ajan.

Aluksi tulta käytettiin sen antaman lämmön, valon ja suojan takia, myöhemmin se mahdollisti myös ruuanlaiton, keraamisten astioiden valmistamisen sekä metallien erottamisen malmeista. Kaikki nämä olivat tärkeitä ensimmäisten sivilisaatioiden kehittymiselle.

Kemian myöhempi historia on pitkälti alkemian historiaa. Alkemian synty ajoittuu ajanlaskumme alkuun, jolloin egyptiläinen mytologia ja teknologinen tietämys yhdistyivät kreikkalaiseen filosofiaan.

Vaikka alkemian ajanjakso leimataan nykytietämyksen valossa taikauskoksi ja epätieteelliseksi, se loi pohjan monille kemiallisille tutkimusmenetelmille, joista osa, kuten tislaus, on käytössä yhä edelleen. Työssään alkemistit etsivät viisasten kiveä, mystistä ainetta, joka pystyisi muuttamaan muut metallit jalometalleiksi, kuten kullaksi ja hopeaksi.

Moderni kemia syntyi John Daltonin 1800-luvun alussa esittämän atomiteorian myötä, joka viimeistään mitätöi alkemistien toiveet metalleja muuttavasta viisasten kivestä.

Kukin metalli koostuu saman alkuaineen atomeista, jotka eivät Daltonin mukaan voi muuttua toisiksi alkuaineiksi kemiallisissa reaktioissa, vaan ne yhdistyvät toisiinsa molekyyleiksi.

Atomit ovat ikään kuin kirjaimia, jotka muodostavat keskenään sanoja ja näin myös mitä moninaisimpia tarinoita. Tämä mahdollistaa lukemattoman määrän erilaisia kemiallisia yhdisteitä ainutlaatuisine ominaisuuksineen.

Teknologiset innovaatiot ovat lisänneet useiden metallien käyttöä erilaisissa sovelluksissa. Esimerkiksi maailmassa tuotetusta litiumista yhä suurempi osa käytetään kannettavissa älylaitteissa kuten puhelimissa, tableteissa ja tietokoneissa tarvittavien litiumioniakkujen valmistukseen.

Litiumin käyttöä lisää myös kasvava kiinnostus sähköautoihin, sen on ennustettu moninkertaistavan metallin käytön seuraavan vuosikymmenen aikana. Tällöin on vaarana, että metallin kysyntä kasvaa huomattavasti sen primäärituotantoa suuremmaksi.

Yksi mahdollinen ratkaisu metallien riittävyysongelmaan on niitä korvaavien materiaalien kehittäminen. Näin alkemistien toive viisasten kivestä on epäsuorasti läsnä myös kemian nykytutkimuksessa: vaikka emme voi kemiallisesti muuttaa alkuaineita toisiksi, voimme yhdistää epämetalleja molekyyleiksi, joilla voi puolestaan olla metallimaisia kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia.

Voimme esimerkiksi valmistaa epämetalleihin perustuvia metallittomia sähkönjohteita ja magneettisia materiaaleja, jotka käyttäytyvät metallien tavoin, mutta eivät muilta ominaisuuksiltaan muistuta metalleja.

Metalleja korvaavien materiaalien tutkimus on tieteellisesti haastavaa. Se vaatii perustavaa ymmärrystä siitä, mikä aiheuttaa kunkin toiminnallisuuden ja miten sama toiminnallisuus voidaan tuottaa metallittoman materiaalin avulla.

Kehitystyö on usein hidasta ja etenee askeleittain kohti metallin täydellistä korvaamista vaihtoehtoisella materiaalilla. Tutkimustyön haasteellisuutta lisää korvaavien materiaalien ympäristö- ja terveysvaikutusten sekä materiaalien kierrätettävyyden huomiointi heti tuotekehityksen alusta alkaen.

Litiumia on sanottu uudeksi öljyksi, akkuteollisuuden valkoiseksi kullaksi. Öljyn tavoin litium on kuitenkin rajallinen luonnonvara, jota ei muodostu yhtään lisää.

Tulevaisuuden teknologioita ei siis kannata perustaa yksinomaan litiumin varaan. Eikä litium suinkaan ole ainoa metalli, jonka tarve on kasvamassa olemassa olevia varantoja suuremmaksi: pulaa voi olla niin indiumista, niobiumista, harvinaisista maametalleista kuin jalometalleista.

Koska viisasten kiveä ei ole eikä tule, jää kemistien tehtäväksi löytää näille metalleille korvaavat materiaalit erilaisiin sovelluksiin. Kemian tulevaisuudessa on siis myös ihmiskunnan tulevaisuus.

Teksti on lyhennelmä uusien professoreiden juhlaluennosta 18.5.