“Tấm vải phủ” của thép

Zn

Hồi đầu những năm 60, tại vùng ven triền núi Bắc Capcazơ đã tiến hành những cuộc khai quật khảo cổ học ở làng cổ Mesôco. Từ xa xưa lắm, khoảng 2.500 năm Trước Công nguyên, đây là nơi sinh sống của các bộ lạc chăn nuôi súc vật; những bộ lạc này đã biết sử dụng công cụ lao động làm bằng đồng và đồng đỏ. Trong số nhiều đồ trang sức nhỏ làm bằng kim loại tìm thấy ở đây, có một vật nhỏ mầu nâu hơi điểm đôi chút xanh lục, hình ống nhỏ, han gỉ nặng, đã khiến mọi người phải chú ý đặc biệt. Có lẽ xưa kia nó là vật đeo ở cổ của một thiếu phụ “ăn diện.” Thứ đồ trang sức nhỏ mọn này có gì mà hấp dẫn các nhà khảo cổ học và các nhà sử học hiện đại đến thế?

Phép phân tích bằng quang phổ đã cho biết rằng, trong vật liệu làm thứ đồ trang sức hình ống này, kẽm chiếm ưu thế rõ rệt. Phải chẳng thứ kim loại này đã từng biết đến từ ngót năm ngàn năm trước đây?

Từ xa xưa, con người đã làm quen với quặng kẽm: Ngay từ thời cổ đại, hơn ba ngàn năm về trước, nhiều dân tộc đã biết nấu luyện đồng thau là hợp kim của đồng với kẽm. Nhưng suốt một thời gian dài, các nhà hóa học và luyện kim không thể thu được kẽm ở dạng tinh khiết: Tách được thứ kim loại này ra khỏi oxit của nó đâu phải là việc dễ dàng. Để phá đứt sợi dây gắn bó giữa kẽm với oxi, phải có nhiệt độ cao hơn hẳn nhiệt độ sôi của kẽm, vì vậy, khi gặp không khí, hơi kẽm vừa sinh ra lại kết hợp với oxi để trở thành oxit.

Một thời gian dài, người ta không phá nổi cái vòng khép kín luẩn quẩn ấy. Thế rồi đến khoảng thế kỉ thứ V Trước Công nguyên, những người thợ Ấn Độ và Trung Hoa đã biết ngưng tụ hơi kẽm trong các bình bằng đất sét kín mít mà không khí không lọt vào được. Bằng cách đó, họ đã thu được một thứ kim loại màu trắng phơn phớt xanh. Sau đó vài trăm năm, một số nước ở châu Âu cũng nắm được kĩ thuật luyện kẽm. Chẳng hạn, ở Tranxinvania thuộc lãnh thổ Rumani ngày nay (hồi đầu Công nguyên, đây là tỉnh Đakia của đế chế La Mã) đã tìm thấy một tượng thờ được đúc bằng hợp kim chứa nhiều kẽm (hơn 85%). Nhưng về sau, bí quyết của việc điều chế kim loại này đã bị thất truyền. Cho đến giữa thế kỉ XVII, kẽm vẫn được đưa từ các nước phương Đông đến châu Âu và được coi là món hàng khan hiếm.

Chính vì thế mà hiện vật tìm được ở Mesôco đã làm cho các nhà khảo cổ học phải kinh ngạc và quan tâm đến như vậy. Qua phân tích một lần nữa, các vạch quang phổ vẫn khẳng định rằng, vật này chỉ gồm kẽm và một ít tạp chất là đồng mà thôi. Có thể, vật trang sức bằng kẽm này có nguồn gốc muộn hơn và ngẫu nhiên lọt vào đám đồ vật thật sự rất cổ chăng? Song giả thuyết này trên thực tế đã bị bác bỏ, vì sau khi xem xét lại thật chính xác các điều kiện khai quật thì thấy rằng, vật trang sức bằng kẽm này được tìm thấy ở độ sâu tương ứng với thiên niên kỉ thứ ba Trước Công nguyên; nơi đây, những đồ vật “trẻ hơn” chưa chắc đã rơi vào được. Không loại trừ khả năng vật trang sức tìm thấy ở Mesôco là đồ vật cổ nhất trong tất cả các sản phẩm bằng kẽm mà chúng ta biết hiện nay.

Thời Trung Cổ đã để lại cho chúng ta khá nhiều tư liệu nói về kẽm. Một số tài liệu của Ấn Độ và Trung Hoa thuộc thế kỉ thứ VII và thứ VIII đã đề cập đến vấn đề nấu luyện thứ kim loại này. Nhà du lịch nổi tiếng quê ở Venezia (nước Italia) tên là Marco Pôlo từng đến thăm Ba Tư hồi cuối thế kỉ XIII đã kể lại trong quyển sách của mình về cách luyện kẽm của những người thợ Ba Tư. Ấy thế mà mãi đến thế kỉ XVI, kim loại này mới bắt đầu được gọi là “kẽm” sau khi thuật ngữ này xuất hiện trong tác phẩm của Paratxen - nhà bác học nổi tiếng thời kì phục hưng. Trước đó, kim loại này chẳng có tên gọi hẳn hoi: bạc giả, spenter, tucia, spauter, thiếc Ấn Độ, conterfei. Tên La Tinh mà nó đã mang “zincum” có nghĩa là “sắc trắng” (theo một ức thuyết khác thì tên gọi này lấy gốc ở từ Đức cổ “zinco,” nghĩa là “vảy cá ở mắt”).

Năm 1721, nhà hóa học kiêm nhà luyện kim người Đức tên là Johann Fridrich Henkel (trong thời gian du học ở Freiberg, chàng Lơmanôxop trẻ tuổi đã học ông thầy này) đã tách được kẽm từ khoáng vật ganmei. Henkel đã “đốt” ganmei và từ đám “tro” mới sinh ra, ông thu được kẽm kim loại sáng lấp lánh mà trong các tác phẩm của mình, ông đã ví nó với chim phượng hoàng hồi sinh từ đống tro tàn.

Nhà máy luyện kẽm đầu tiên ở châu Âu đã đã được xây dựng năm 1743 tại thành phố Brixtôn (nước Anh), tức là bốn năm sau khi Jôn Champion nhận được bằng phát mình về phương pháp chưng cất để điều chế kẽm từ các quặng kẽm oxit. Về nguyên tắc, công nghệ ở Brixtôn không khác gì mấy so với công nghệ mà các nhà luyện kim vô danh thời xưa đã sử dụng, nhưng vì họ không còn sống để đăng kí phương pháp này nên cành nguyệt quế dành cho người phát minh ra quy trình công nghệ sản xuất kẽm đã rơi vào tay “Nhà vô địch” (Champion có nghĩa là “nhà vô địch”). Gần hai mươi năm sau đó, Champion tiếp tục kiên trì “Tập luyện” trong lĩnh vực nấu luyện kẽm và đã hoàn thiện được một quy trình nữa, trong đó, nguyên liệu không phải là quặng oxit mà là quặng sunfua.

Nếu như nhà máy ở Brixtôn mỗi năm làm ra hai trăm tấn kẽm, thì nay nay, sản lượng kim loại này trên thế giới đã lên đến hàng triệu tấn. Về quy mô sản xuất thì kẽm chiếm vị trí thứ ba trong số các kim loại màu, chỉ thua các bậc đàn anh từng được thừa nhận trong ngành kim loại màu là nhôm và đồng. Nhưng kẽm có một ưu điểm không thể chối cãi: so với đa số các kim loại công nghiệp, giá thành của nó thấp vì nó dễ điều chế (trên thị trường thế giới, chỉ có sắt và chì rẻ hơn kẽm). Bên cạnh phương pháp chưng cất cổ xưa, các nhà máy luyện kẽm ngày nay đang sử dụng rộng rãi phương pháp điện phân, trong đó, kẽm lắng đọng lại trên các catôt bằng nhôm và sau đấy được nấu lại trong lò cảm ứng.

Một điều thú vị là nhà phát minh người Anh rất có tên tuổi Henry Bessemer từng nổi tiếng về việc phát minh ra lò chuyên để luyện thép, cũng đã thiết kế một cái lò dùng năng lượng mặt trời, trong đó có thể nấu được kẽm hoặc đồng. Tuy nhiên, lò này chưa hoàn hảo về mặt kĩ thuật, vả lại, những điều kiện thiên nhiên của xứ sở mù sương này không thuận lợi cho việc sử dụng nó trong thực tế.

Như người ta vẫn nói, kẽm đã đi vào cuộc sống lao động của mình từ rất lâu trước khi ra đời: Các nhà luyện kim thời cổ xưa đã ném những cục đá màu xám chứa các hợp chất của kẽm vào lửa cùng với than, quặng đồng và đã thu được đồng thau - một hợp kim tuyệt diệu có độ bền và dẻo cao, chịu đựng được sự ăn mòn và có màu sắc đẹp, hay nói cho đúng hơn là có khoảng biến đổi màu sắc tùy thuộc vào hàm lượng kẽm và các thành phần khác. Không như đồng đỏ thông thường, ở nước Nga ngày xưa người ta gọi đồng thau là đồng vàng: Khi tăng hàm lượng kẽm, màu sắc của hợp kim thay đổi từ đỏ nhạt đến vàng tươi. Nếu pha thêm một ít nhôm thì đồng thau có màu tươi mát, hơi giống vàng và hiện nay được dùng làm huy hiệu và đồ mĩ nghệ. Từ xưa, Aristote đã mô tả thứ đồng này là thứ đồng “chỉ khác vàng ở mùi vị mà thôi.” Rõ ràng, thứ “đồng giống như vàng” ấy chẳng phải là cái gì khác mà là đồng thau đấy thôi.

Một thời gian dài người ta cho rằng, tượng kỉ niệm Minin và Pogiacxki được dựng hồi đầu thế kỉ trước trên Quảng trường Đỏ ở Maxcơva là bằng đồng đỏ. Nhưng công tác phục chế gần đây đã đính chính điều đó: Hóa ra không phải là đồng đỏ mà chính là đồng thau đã được dùng cho tác phẩm kì diệu của nhà điêu khắc I. P. Martôt.

Ở Ấn Độ có làng Bidar nổi tiếng bởi những thứ đồ trang trí mà các nghệ nhân địa phương làm ra từ hợp kim của đồng, kẽm và thiếc. Các đồ mĩ nghệ như bình đựng nước, đĩa, tượng nhỏ được tráng một dung dịch đặc biệt để cho kim loại trở thành đen tuyền. Sau đấy, các họa sĩ khắc lên đấy những bông hoa hoặc những hình vẽ trang trí trông y như khảm bạc vậy. Các hình vẽ trang trí này không bao giờ bị mờ đi. Do vậy, các sản phẩm mỹ nghệ của Bidar rất nổi tiếng không những ở Ấn Độ, mà còn ở nhiều nước khác.

Thông thường, kẽm và đồng trong các hợp kim là đôi bạn đồng minh, chúng bổ sung và cải thiện tính chất cho nhau. Thế mà gần đây, chúng ở trong tình trạng “cạnh tranh lẫn nhau” và chính kẽm đã loại đồng ra khỏi hợp kim. Điều đó đã xảy ra ở Mỹ, nơi mà cho đến gần đây, đồng xen (đồng tiền nhỏ nhất của Mỹ) vẫn được dập từ hợp kim chứa 95% đồng và 5% kẽm. Cách đây mấy năm người ta quyết định thay đổi thành phần của hợp kim. Vẫn những nguyên tố ấy có mặt trong hợp kim, nhưng vớitỉ lệ hoàn toàn khác hẳn: 97,6% kẽm và vẻn vạn chỉ có 2,4% đồng. Sở dĩ có sự “thay bậc đổi ngôi” như vậy là vì kẽm rẻ hơn đồng rất nhiều, do đó, đề nghị hợp lí hóa của các nhà tài chính đã hứa hẹn một món lợi không nhỏ cho ngân khố

Khá nhiều hợp kim của kẽm đã được biết đến (pha thêm nhôm, đồng, magie, với lượng không đáng kể), mà đặc điểm nổi bật của chúng là rất dễ đúc và có nhiệt độ nóng chảy thấp. Từ các hợp kim này, người ta đúc được những chi tiết phức tạp có thành mỏng và những sản phẩm chính xác khác, trong đó có những con chữ in cỡ nhỏ. Hồi giữa thế kỉ trước, theo thiết kế của nhà điêu khắc người Nga I. P. Vitali, người ta đã đúc và dựng ở phòng Gheorghiepxki trong cung lớn điện Cremli ở Maxcơva mười tám cây cột bằng kẽm có hoa văn trang trí và những bức tượng mang những vòng hoa nguyệt quế.

Một người ở Cộng hòa Dân chủ Đức có một bộ sưu tập độc đáo về các vật đúc bằng kẽm. Mấy chục năm qua, ông đã dùng kẽm để tự tay đúc những hình người và động vật nhỏ, cao không quá năm xentimét. Bộ sưu tập này gồm khoảng một nghìn năm trăm phối cảnh rất thú vị. Tuyệt diệu nhất trong số đó là phối cảnh nói về trận đánh ở gần Lepzich năm 1813, tại đó, đội quân của Napolêon chưa lại sức sau trận Borođinô đã bị thua thêm một trận lớn nữa khi đánh nhau với liên quân các nước Nga, Phổ, áo và Thụy Điển. Phối cảnh “trận đánh của các dân tộc” gồm khoảng một ngàn phần tử - đó là những người lính và ngựa, xe cộ, vũ khí.

Ở một chừng mực đáng kể, nhiệt độ nóng chảy không cao lắm của kẽm (khoảng 420 độ C) đã làm cho nhà sưu tập người Đức phải say mê. Nhiều tính chất của kim loại này phụ thuộc vào độ tinh khiết của nó. Thông thường, kẽm dễ tiêu hóa trong các axit, nhưng nếu độ tinh khiết đạt đến “năm con số chín” (99,999%) thì chính các axit ấy không thể nào đụng chạm được đến kẽm ngay cả khi nung nóng. Đối với kẽm, độ tinh khiết không những bảo đảm cho nó trở nên “bất khả xâm phạm về hóa học,” mà còn đem lại cho nó tính dẻo cao: Kẽm tinh khiết lại dễ kéo thành sợi hết sức mảnh. Còn kẽm thường dùng trong kĩ thuật thì biểu lộ tính cách khá bất thường: nó chỉ cho phép cán thành dải, thành lá, thành tấm trong khoảng nhiệt độ nhất định - từ 100 độ C đến 150 độ C, còn ở nhiệt độ bình thường và cao hơn 250 độ C cho đến điểm nóng chảy thì kim loại này rất giòn, có thể dễ dàng nghiền nát thành bột.

Trong các nguồn điện hóa học hiện nay, các tấm kẽm đóng “vai trò âm,” tức là được dùng làm điện cực âm - nơi đây diễn ra quá trình oxi hóa kim loại. Lần đầu tiên, kẽm đã thử sức mình trong môi trường hoạt động này năm 1800, khi nhà bác học người Italia là Alexanđro Vonta chế tạo ra bộ pin của ông. Hai năm sau đó, nhờ một bộ pin rất lớn (so với thời bây giờ) gồm 4200 tấm đồng và kẽm mà nhà bác học Nga V. V. Petrôp đã lần đầu tiên tạo được hồ quang điện.

Năm 1838, nhà kĩ thuật điện người Nga là B. X. Iacobi đã chế tạo một chiếc thuyền gắn động cơ điện mà nguồn điện là một bộ pin. Thuyền này đã xuôi ngược dòng sông Nêva một thời gian, chở được mười bốn hành khách. Nhưng loại động cơ này tỏ ra không kinh tế, điều đó khiến nhà hóa học người Đức là Iuxtux Libic (Justus Liebig) có cơ sở để tuyên bố: “Cứ trực tiếp đốt than để thu nhiệt hoặc sinh công còn phần có lợi hơn nhiều so với chi phí than đó để khai thác kẽm, rồi sau đó sinh công trong các động cơ điện bằng cách đốt kẽm trong các bộ pin.” Lúc bấy giờ, những ý đồ sử dụng sức kéo của các động cơ điện chạy bằng pin đã không thu được kết quả ở trên cạn. Nhà vật lí học nổi tiếng người Anh là Jamơ Jun (James Precotr Joule) hình như đã có lần nhận xét nửa đùa nửa thật rằng, chẳng thà nuôi ngựa vẫn còn rẻ hơn là phải thay kẽm trong các bộ pin.

Trong thời đại chúng ta, ý tưởng đó đã được sống lại: Hàng ngàn hàng vạn ô tô điện đang lướt nhanh trên các nẻo đường của nhiều nước, hơn nữa, khi chọn nguồn động lực, các nhà thiết kế thường ưu chuộng loại ăcquy kẽm - không khí. Bộ ăcquy này thay thế cho hàng chục con ngựa, nó cho phép ô tô chạy được hơn một trăm kilômét mà không cần “cho ăn thêm,” nghĩa là không phải nạp thêm điện. Những nguồn điện tí hon kiểu như vậy đang được sử dụng trong các máy nghe, trong các đồng hồ so giờ, trong khí cụ đo độ lộ sáng (của máy ảnh), trong các máy tính loại nhỏ. Trong bộ “pin vuông” của các đèn pin bỏ túi, dưới lớp vỏ giấy có ba ống kẽm: khi cháy (tức là khi bị oxi hóa), kẽm sinh ra dòng điện để thắp sáng bóng đèn pin. Đối với các thiết bị lớn thì nguồn điện rất đáng tin cậy, đủ sức cung cấp điện cho hàng chục khí cụ cùng một lúc là những bộ ắcquy có điện cực bằng bạc và bằng kẽm. Chẳng hạn, một bộ ăcquy như vậy đã làm việc trên một vệ tinh nhận tạo của Liên Xô bay vòng quanh trái đất.