Sự ra đời của hợp kim đồng - thiếc là một trong những tiến bộ nổi bật nhất lịch sử thế giới. Ảnh: Anna Kepa
Ngày nay, hợp kim hiện diện trong mọi thứ, từ smartphone đến tàu vũ trụ. Đó là những sản phẩm mới nhất của hoạt động luyện kim tồn tại từ thời Đồ Đồng, khi hỗn hợp kim loại đầu tiên được tạo ra. Ngày nay, khai thác và xử lý kim loại là một ngành công nghiệp lớn, nhưng những người tiên phong đã xử lý kim loại gần như chỉ bằng các công cụ đá và lửa bình thường.
Ban đầu, người tiền sử chỉ có thể khai thác những kim loại ở dạng nguyên sinh, nghĩa là tồn tại ở dạng cục và không bị trộn lẫn với nguyên tố khác trong đá. Do đó, chúng không cần trải qua quá trình chiết xuất mà có thể thu thập được bằng cách sàng đãi trên sông hoặc đào bới đất.
Những đồ tạo tác bằng đồng cổ xưa nhất có niên đại khoảng 8.000 năm, trong khi vật dụng bằng vàng xuất hiện sau đó vài nghìn năm. Thời điểm này, công nghệ cần thiết để chiết xuất sắt trong đất đá vẫn chưa xuất hiện, dù người Ai Cập cổ đại đã chế tạo được một số vật thể từ sắt thiên thạch. Họ có thể biến chúng thành những con dao như dao găm trong lăng mộ pharaoh Tutankhamun.
Ảnh chụp hai mặt của dao găm trong lăng mộ vua Tutankhamun năm 2020 và ảnh chụp khi mới phát hiện con dao năm 1925 (dưới cùng). Ảnh: Meteoritics & Planetary Science/Harry Burton
Khoảng 5.000 năm trước, con người bắt đầu chuyển từ thời Đồ Đá sang thời Đồ Đồng, phần lớn nhờ vào sự ra đời của quá trình luyện kim. Quá trình này bao gồm nung nóng quặng đồng trong nồi bằng đá hoặc gốm để tách kim loại khỏi tạp chất.
Dù không có tài liệu nào về cách luyện kim ra đời, nhưng có khả năng người xưa đã nảy ra ý tưởng thổi khí qua các thanh rỗng để tăng nhiệt độ lò, giúp giải phóng kim loại nóng chảy. Người thợ rèn nguyên thủy này không biết rằng carbon trong gỗ phản ứng với oxy trong quặng, chuyển đổi thành CO2 và giải phóng lượng đồng vốn liên kết với nó.
Đồng là kim loại phù hợp để sử dụng, giúp tạo ra những công cụ và vũ khí mới tốt hơn nhiều so với vật liệu trước đó là đá. Đồng cứng lại khi bị đập bằng búa và có thể được nấu chảy, đổ vào khuôn để chế tạo vật dụng theo tiêu chuẩn.
Ngoài ra, đồng có thể được cải tiến đáng kể bằng cách trộn với thiếc, tạo thành một hợp kim mới. Hỗn hợp kim loại này không chỉ cứng hơn đồng nguyên chất khi dùng búa đập mà còn nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều, giúp quá trình đúc trở nên dễ dàng hơn.
Việc sử dụng rộng rãi hỗn hợp này khoảng năm 3000 trước Công nguyên đánh dấu sự khởi đầu của thời Đồ Đồng - thời kỳ nhiều hợp kim ra đời khi con người thử nghiệm cho thêm kẽm và các kim loại khác vào đồng. Thực tế, sự thử nghiệm này chưa bao giờ dừng lại. Những hợp kim mới tiếp tục ra đời với nhiều ứng dụng hữu ích.
Những tiến bộ công nghệ của thời Đồ Đồng thúc đẩy các nền văn minh hùng mạnh nhất thế giới cổ đại phát triển. Tuy nhiên, thời đại này cuối cùng cũng kết thúc khi con người tìm ra cách nấu chảy sắt từ đá, tạo ra một vật liệu thậm chí còn hữu ích hơn và mở ra thời Đồ Sắt.
Ban đầu, những lò nung cổ đại không thể đạt tới nhiệt độ đủ cao để thực sự nấu chảy sắt. Do đó, những thợ rèn đầu tiên phải làm việc với sắt rèn - vật liệu thu được khi tách khỏi xỉ sinh ra từ quá trình nung. Đến khoảng năm 300 trước Công nguyên, các thợ kim loại Trung Quốc phát minh loại ống thổi có thể tạo ra ngọn lửa đủ nóng để làm chảy sắt.
Điều thú vị là sắt thực chất không cứng bằng hợp kim đồng - thiếc, các đồ vật làm từ sắt thường có chất lượng thấp hơn đồ bằng hợp kim trước đó. Tuy nhiên, việc sản xuất sắt rẻ hơn hợp kim này rất nhiều, chủ yếu do sắt dồi dào hơn thiếc. Về sau, sắt cũng được sử dụng để tạo ra thép - một trong những vật liệu thiết yếu nhất thời hiện đại.
Thu Thảo (Theo IFL Science)