Все началось в конце 1964 года: химик Стефани Кволек получила мутный водянистый раствор, который по всем признакам считался браком. Подробнее об истории женщины и ее раствора рассказали на канале “Популярная наука”. Вместо того, чтобы вылить его, она прогнала жидкость через фильтр и доказала, что мутность не грязь, а порядок. Обычные полимеры состоят из гибких цепей, а у Кволек получились жесткие палочковидные молекулы. В растворе они укладывались параллельно, но разными участками, поэтому свет рассеивался по-разному и раствор казался мутным. Это был жидкокристаллический раствор. При продавливании через фильеру поток разворачивал жесткие цепи вдоль нити, и после удаления растворителя они оставались плотно уложенными, связанными водородными связями. Через шесть лет из этой работы вырос кевлар.
Волокно трудно растянуть, потому что нагрузка идет вдоль выстроенных молекул. По массе кевлар примерно в пять раз прочнее стали на растяжение. Но это не значит, что он заменяет сталь — инженер, предложивший построить мост из бронежилетов, ошибся бы. В компании DuPont Кволек работала сорок лет. Патент назвал ее изобретателем, но права отошли компании, роялти она не получала — только зарплату, две премии и несколько наград. Позже кевлар получил более 200 применений: шины, тросы, перчатки, оптоволокно, экраны NASA от орбитального мусора.
В 2001 году лейтенант Дэвид Спайсер получил четыре выстрела почти в упор, две пули раздробили руку, одну отклонил значок, последнюю принял бронежилет. После больницы он позвонил Кволек сказать спасибо. К 2018 году клуб выживших насчитал более 3100 таких историй. Кволек умерла в 2014 году в 90 лет. Случайность подсунула ей странную колбу, а наукой это стало в ту минуту, когда она отказалась записать странность в брак и потянулась за фильтром.
Что пишет литература:
Обычные полимеры (полиэтилен, нейлон) — это гибкие «спагетти»: цепи изгибаются, скручиваются, и при нагрузке они сначала распрямляются, а потом рвутся. Молекулы кевлара (поли-пара-фенилентерефталамид) — это жёсткие палочки: ароматические кольца и амидные связи не дают цепи изгибаться. В жидкокристаллическом растворе палочки укладываются параллельно, а при продавливании через фильеру поток ориентирует их вдоль оси нити. После удаления растворителя цепи остаются выстроенными и связанными водородными связями между амидными группами. Нагрузка при растяжении идёт вдоль цепей, а не поперёк — и разорвать ковалентную связь C-C или C-N намного сложнее, чем «распутать» гибкую цепь. Физика жидкокристаллических полимеров описана в учебнике «Жидкокристаллические полимеры» (Liquid Crystalline Polymers, Donald A.M. & Windle A.H., 2006)
Ранее мы писали: Почему россияне скупают технику из 2000-х и платят до 100 тысяч за коллекцию
Фото: Magnific
