ا.د.م. محمود عوض كتب مقالا بعنوان "علم المعادن التطبيقية: بين توطين الصناعة ودعم الاستدامة"

تتمتع جيولوجية معظم دول العالم، بما في ذلك مصر، بثروة من الموارد المعدنية بمختلف أنواعها وأحجامها وخصائصها. وقد دأب علماء الجيولوجيا الإقتصادية، محلياً وعالمياً، على دراسة ونشر جيولوجية هذه الرواسب المعدنية، وتحديد أصولها ومصادر تكوينها وتركيزاتها وتوزيعاتها ضمن مكونات القشرة الأرضية فى الرواسب الفتاتية وطبقات الصخور الرسوبية وأجسام وكتل الصخور الصلدة (النارية والمتحولة).

ولكن، ما أهمية هذه الموارد المعدنية إذا لم تُقدّر وتُحسّن وتُضاعف قيمتها؟ وكيف يمكن تقدير قيمتها إذا لم تُحدد مسارات استغلالها وتوظيفها بمثالية وكفاءة عالية؟

المعادن الصناعية : المواد الخام الجيولوجية

مصطلح "المعادن الصناعية" Industrial minerals يطلق بصفة أساسية على الموارد الطبيعية للمركبات الكيميائية الغيرعضوية (سواء المعادن السليكاتية أوالغيرسليكاتية) وتحديداً المعادن اللافلزيةnon-metallic minerals – أي المعادن التي لا يدخل في تركيبها بصفة أساسية أيٍ من الفلزات الثقيلة، مثل الحديد (بإستثناء المعادن السيليكاتية الحديدومغنيسيةFerromagnesian silicate minerals) والتيتانيوم والمنجنيز والرصاص والنحاس والزنك وغيرها.

بسبب الوفرة النسبية لرواسب المعادن الصناعية (اللافلزية) في طبقات وجبال القشرة الأرضية، تُستخدم بشكل كبير كسلع تجارية (مواد خام صناعية)، حيث يتم تقدير وتقييم مواردها وتحسينها لاستغلالها عالمياً فى العديد من التطبيقات المتعددة، بفضل خصائصها التكنولوجية المتعددة الوظائف من حيث الخواص الكيميائية والفيزيائية والميكانيكية والفيزيوكيميائية، وتلعب دوراً حيوياً في الاقتصاد العالمي.

ومن أمثلة هذه الرواسب المعدنية بمختلف بيئاتها الجيولوجية وأصل وظروف تكوينها (رسوبية متحولة أو نارية): الكاولين، البنتونيت، الهالوسيت، الباليجروسكيت، السيبيوليت، السيليكا (سواء عروق الكوارتز أو الرمال البيضاء)، التلك، الفلسبار، الميكا، الجارنت، الزركون، الحجر الجيري، الدولوميت، الماجنيزيت، الفوسفات، الجبس، الكبريت، الجرافيت، الباريت، الفلوريت، والملح الصخري (الهاليت)، وغيرها من الرواسب الإقتصادية للمعادن السيليكاتية وغير السيليكاتية.

وبجانب الأهمية الإقتصادية الأساسية لرواسب المعادن الفلزية metallic minerals كمصادر لإستخلاص الفلزات الثقيلة، فإن بعض منها غالباً ما يكون لها أدوار جانبية فى التطبيقات الصناعية بفضل خصائصها التكنولوجية الوظيفية الخاصة، وبالتالي يمكن اعتبارها معادن صناعية ثانوية جنباً إلى جنب مع المعادن الصناعية الأساسية (اللافلزية) ، ومن أمثلة بعض المعادن الصناعية الفلزية الهيماتيت، الماجنيتيت، الجويثيت، الإلمينيت، الروتيل، البيرولوسيت، السفاليريت، الجالينا، الكالكوبيريت وغيرها.

علم المعادن التطبيقية : علوم وتكنولوجيا المعادن

يمكن تعريف علم المعادن التطبيقية Applied Mineralogy بأنه فرع من علوم الأرض يركز على دراسة التطبيقات العملية لموارد المعادن الصناعية. يهدف هذا العلم إلى استخدام المعرفة العلمية والطرق والتقنيات المعملية المتقدمة في دراسات تقييم وتوظيف وتطوير خواص المعادن الصناعية، لإستخداماتها كمواد خام في العديد من القطاعات العملية مثل الصناعة والزراعة والطب والبيئة ومعالجة المياه والإنشاءات الهندسية وغيرها.

يعتمد علم المعادن التطبيقية على أساليب بحثية متقدمة تشمل التحاليل الكيميائية والمعدنية وقياسات الخصائص الفيزيائية والميكانيكية والفيزيوكيميائية، وأيضاً نمذجة بيانات هذه التحاليل والقياسات الخصائص المعدنية بإستخدام تقنيات الذكاء الاصطناعي، وكذلك توظيف تقنيات الاستشعار عن بعد بشكل متكامل لفهم توزيعات وخصائص الخامات المعدنية فى أماكن تواجداتها. يهدف علم المعادن التطبيقية أيضاً إلى تحسين كفاءة استخدام الموارد من خلال ابتكار واستخدام مواد بديلة ذات كفاءة عالية ومستدامة في مختلف التطبيقات التكنولوجية الحديثة. وبالتالى يلعب علم المعادن التطبيقية دوراً محورياً في تعزيز الصناعات ومواجهة التحديات المجتمعية وتحقيق الاستدامة.

أهداف علم المعادن التطبيقية

1. تقييم موارد المعادن الصناعية

يهدف علم المعادن التطبيقية بمنهجيته وأساليبه وأدواته وطرقه البحثية المتعددة، للعمل أولاً على تقييم الموارد المعدنية بمختلف أنواعها وتواجداتها كمواد خام لتلبية جميع أغراض التطبيقات العملية المتنوعة. يتم ذلك وفقاً لدراسة التحاليل والاختبارات والقياسات للعينات الجيولوجية الممثلة بعناية وفقاً لتصميم علمي وتكنولوجي دقيق لمورد معدني قيد دراسة تقييمية معينة، ومطابقة نتائج الدراسة للمواصفات والمعايير التكنولوجية العالمية. بعد ذلك، تُحدد القيمة المادية للمورد المعدنى بالسعر العالمي بناءً على رتبته وجودته، كما تُحدد العوامل المعدنية والجيوكيميائية المتحكمة في الجودة، مع نمذجة توزيعاتها باستخدام تقنيات الاستشعار عن بعد والذكاء الاصطناعي، وكذلك تحديد أنسب الطرق الاقتصادية لرفع جودة الخامات المعدنية.

2. توفير بدائل جديدة للمواد الخام

تلعب بحوث علم المعادن التطبيقية أيضاً دوراً مهماً في إيجاد وتوفير بدائل جديدة للمواد الخام في الصناعة، إذا نضب المورد المعدنى الأساسى محلياً، أو لظروف إقتصادية أو استراتيجية أخرى تتحكم فى الإستيراد، أو ظروف تعيق عمليات التصنيع وإهدار الطاقة وزيادة التكلفة مع استخدام مورد معدنى ما مما يتطلب تحقيق الإستدامة بالمورد البديل، وذلك باستخدام بدائل معدنية أخرى أو مشتقاتها المعدلة والمهجنة بالطرق والتقنيات الهندسية والبيوتكنولوجية قليلة التكلفة وموفرة للطاقة والوقت، يأتى ذلك بناءً على فهم ومقارنة ومضاهاة جميع الخواص التكنولوجية للمعادن والمشتقات القائمة عليها. هذه البحوث تهدف إلى تحديد واستغلال بدائل معدنية وفيرة، أو إعادة تدوير مواد ومخلفات معدنية بكفاءة، أو ابتكار مواد رخيصة قائمة على المعادن وذات مزايا وكفاءة عملية مضاعفة وأكثر استدامة فى التطبيقات المختلفة.

3. الابتكار في المواد النانوية المعدنية

أصبح لعلم المعادن التطبيقية أهمية ملحوظة في ابتكار مواد نانوية جديدة ذات خصائص فائقة قائمة على المعادن. تُستخدم هذه المواد كمنتجات جديدة ذات استراتيجيات متقدمة تحقق الاستدامة في مجالات عديدة، منها إنتاج المستحضرات الصيدلانية النانوية كبدائل للمضادات الحيوية والضمادات والناقلات النانوية، والمنتجات الزراعية مثل الأسمدة والمبيدات النانوية ومحسنات التربة. كذلك يتم ابتكار مواد نانوية معدنية تُستخدم في إنتاج الطاقة الشمسية والهيدروجين الأخضر ومعالجة وتنقية المياه وغيرها.

ابتكار متراكب نانومترى من الكاولين المصري (كاولينيت مطعم ببلورات نانوية من أكسيد الفضة) كعامل مضاد للميكروبات المقاومة للمضادات الحيوية – منشور دولي بمجلة IJPharm

دراسة المتراكبات النانومترية المعدنية بأحدث ميكروسكوب إلكترونى نافذ TEM بمعمل تخزين الطاقة بمبنى المعامل المركزية بجامعة الأزهر بريادة أ.د. عيد خلف

ابتكار متراكب نانومترى من الكاولين المصري (كاولينيت مطعم بنقاط كمومية من أكسيد التيتانيوم) كعامل حفاز ضوئى لتكسير الأصباغ العضوية الملوثة للمياه ومعالجتها – منشور دولي بمجلة AOC

مساهمات علم المعادن التطبيقية

في مجال التصنيع يساهم علم المعادن التطبيقية في تطوير مواد متقدمة وابتكار عمليات تصنيعية جديدة قائمة على المعادن، مما يعزز أداء وكفاءة المنتجات من التقليدية كالسيراميك والأسمنت والطوب الحرارى إلى الإلكترونيات المتقدمة، حيث يُعتبر دور المعادن الصناعية جزءاً لا يتجزأ من مجموعة واسعة فى التطبيقات التصنيعية، مما يدفع الابتكار والتنافسية في الأسواق العالمية.
في قطاع الزراعة يوفر علم المعادن التطبيقية حلولاً مبتكرة لتحسين التربة، وإدارة المغذيات، وحماية المحاصيل.
في قطاع البيئة يلعب علم المعادن التطبيقية دوراً حيوياً في جهود الإصلاح البيئي، إدارة النفايات، والسيطرة على التلوث. من خلال دراسة سلوك المعادن في الأنظمة الطبيعية والمصممة، كما يمكن تطوير استراتيجيات فعالة لتقليل المخاطر البيئية واستعادة النظم البيئية.
في قطاع معالجة المياه يُعتبر علم المعادن التطبيقية ضرورياً حيث تُستخدم المعادن كمواد أساسية في بحوث تطويرعمليات الترشيح، التنقية، والتحلية من خلال استغلال الخصائص الامتزازية والتحفيزية للمعادن، حيث يقوم الباحثين على تصميم حلول مبتكرة لتوفير مياه نظيفة وآمنة للمجتمعات حول العالم.
في مجال الآثار يساهم علم المعادن التطبيقية في تحليل واكتشاف تدهور القطع الأثرية والمواقع التراثية، والعمل أيضاً على حفظها وترميمها باستخدام أساليب وتقنيات معدنية.
في الإنشاءات الهندسية يُعتبر علم المعادن التطبيقية أداة أساسية في تقييم وتطوير مواد البناء، حيث تُستخدم المعادن كعناصر أساسية في مشاريع البنية التحتية، من الطرق والجسور إلى المباني والمنشأت، وذلك من خلال تحسين اختيار واستخدام مواد البناء، يمكن تعزيز المتانة، المرونة، والاستدامة في البيئات المبنية.
في إنتاج الطاقة وتخزينها، من الوقود الأحفوري إلى مصادر الطاقة المتجددة، تلعب المعادن أدواراً أساسية في انتاج الوقود، توليد الطاقة، وتقنيات تخزين الطاقة ، تُعتبر المعادن عناصر أساسية في مشهد الطاقة العالمي، مما يشكل التحول نحو مستقبل طاقة أكثر استدامة ومرونة.
في الرعاية الصحية يساهم علم المعادن التطبيقية في الصناعات الدوائية، التشخيص الطبي، والأجهزة الطبية الحيوية، من خلال استغلال الخصائص الفريدة للمعادن لأغراض علاجية وتشخيصية. من الغرسات المعدنية إلى أنظمة توصيل الدواء، توفر المعادن فرصاً واعدة لتعزيز تكنولوجيا الرعاية الصحية وتحسين نتائج المرضى.

على امتداد هذه المجالات والتطبيقات المتنوعة، يضع علم المعادن التطبيقية تركيزاً كبيراً على الاستدامة، من خلال معالجة الأبعاد البيئية والاجتماعية والاقتصادية لاستخدام الموارد المعدنية. من خلال تعزيز ممارسات التعدين المسؤولة، كفاءة الموارد، ومبادئ الاقتصاد الدائري circular economy ، يسعى علم المعادن التطبيقية إلى تحقيق توازن بين احتياجات الأجيال الحالية والمستقبلية، مع الحفاظ على سلامة النظم الطبيعية لكوكبنا.

التعليم والبحث التطبيقى

في قسم الجيولوجيا بكلية العلوم جامعة الأزهر، يدرس طلاب المرحلة الجامعية جميع الأساسيات والمبادئ والقواعد العلمية المتعلقة بأهداف وطرق واستراتيجيات المعادن التطبيقية نظرياً وعملياً، من خلال مقرر "علم المعادن التطبيقية"، والمدعم بزيارات ميدانية للمصانع.

زيارة ميدانية لمصنع عصفور للحراريات بالتبين (تابعة لمقرر المعادن التطبيقية بالقسم) بتاريخ 22/4/2024

زيارة ميدانية لمصنع سيراميكا كليوباترا بالعين السخنة (تابعة لمقرر المعادن التطبيقية بالقسم) بتاريخ 12/6/2024

وخلال إجراء مشروعات التخرج يتدرب طلاب القسم على إنتاج أفكار قابلة للتطبيق فى حل مشكلات صناعية وتطوير المنتجات القائمة على المعادن. تُنفذ هذه المشروعات بالإستفادة من خبرات المشرفين العملية المكتسبة فى الخارج، وبمشاركة بحثية أجنبية، وبرعاية مستثمرين من أصحاب المصانع والشركات، وتمويل بحثى من جهات حكومية وخاصة.

مشروع تخرج طلاب 2022 – ممول من مبادرة بدايتى بإكاديمية البحث العلمى

بعنوان: تصميم نموذج آمن ومنخفض التكلفة من حبيبات النانوكلاى الذكية المحملة باليوريا لتسميد الأراضى وزيادة الإنتاج الزراعى.

ولقد وافقت الجامعة على مقترحنا المقدم لتنفيذ معمل بحوث المعادن التطبيقية خلال العام الحالي 2024، بتكلفة 2 مليون جنيه لتنفيذ وإنشاء البنية التحتية للمعمل، وذلك لربط البحث العلمي بالصناعة، والمساهمة بالابتكار في دفع عجلة التنمية الصناعية وفقاً لرؤية مصر 2030، من خلال إجراء أبحاث مشاريع التخرج والماجستير والدكتوراه وأبحاث ما بعد الدكتوراه.