Жизнь замечательных веществ - Аркадий Курамшин

Французский инженер-химик Марк Грегуар применял тефлон для изготовления своих рыболовных снастей, однако его жена Колетт, равнодушная к рыбалке, подумала, что более интересное и полезное применение такого гладкого и непачкающегося материала, как тефлон, – не дать пище пристать к поверхности сковороды и кастрюли.

Похоже, что Колетт замотивировала своего суженого нешуточно, и Марк в 1954 году разработал способ связывания тефлона с поверхностью из алюминия, хотя, учитывая крайне низкую адгезию (способность к «прилипчивости») тефлона, эта просьба жены была совсем не из разряда «вынести мусор» или даже «купить новую шубу». Разработанный метод нанесения, который применяется и по настоящее время, заключается в том, что первоначально поверхность алюминия протравливают кислотой, чтобы сделать ее «дефективной», обладающей микрорельефом (вообще дефекты поверхности материала иногда играют важную роль для химиков), затем на обработанную поверхность металла при повышенных давлении и температуре наносили мелкодисперсный тефлоновый порошок, и он «схватывался», образуя покрытие требуемого качества. В 1956 году завод, на котором работал Грегуар, выпустил первыую пробную партию сковородок с антипригарным покрытием, получившим столь известный ныне бренд «Тефаль». Название «Tefal» является сочетанием первых слогов слов «тефлон» и «алюминий».

Эффективность тефлона в качестве антипригарного покрытия обусловлена его гидрофобностью – он хорошо отталкивает воду – и низким коэффициентом трения. До температуры 250 °C настоящий тефлон – перторполиэтилен – безопасен; после достижения этой температуры он начинает разлагаться на фтор и фторуглероды, который опасны для здоровья. Сторонники запрета тефлона приводят истории о гибели домашних птиц (например, попугаев) от испарений тефлоновых сковородок, оставленных без присмотра и перегретых выше безопасной температуры, однако, скажем, температурный режим готовки соблюдать надо, сковородку без присмотра оставлять не стоит любую: если вы перегрели мясо или рыбу на обычной чугунной сковородке, любимого попугая вы, может, и спасли, но себя и своих домашних отравили медленным ядом – при перегреве пищи образуются бензопирены, которые являются канцерогенами.

Помимо применения в коммуникациях и на кухне тефлон находит применение еще в куче областей. Химическая устойчивость тефлона в свое время привела к тому, что его назвали «органической платиной» и огромное количество лабораторной посуды или промышленных резервуаров, контактирующих с высокоактивными веществами, изготавливают либо из тефлона, либо с тефлоновым напылением. Тефлоновую оболочку наносят на пули и орудийные снаряды, низкое трение этого покрытия увеличивает ресурс работы стволов; некоторые ювелирные компании наносят тефлоновое покрытие на «проникающую» ювелирку – серьги и пирсинг, такое покрытие снижает риск развития инфекции в месте прокола.

Итак, тефлон – материал, открытый благодаря случайности и нашедший применение на наших кухнях из-за идеи жены инженера. Пусть он и не является «космическим» материалом и легенды о его создании в НАСА – просто вымысел и неумение пользоваться поисковиками, на примере тефлона мы можем увидеть, что иногда настоящая история создания и исследования вещества куда интереснее и замысловатее, чем мифы о нем.

Когда в конце 1940-х годов бакалавр-химик Стефани Кволек, устраивалась на временную работу, чтобы накопить денег и реализовать свою мечту – выучиться на врача, она вряд ли могла представить, что нет ничего более постоянного, чем временное, что она останется на работе в «Дюпон» на следующие 40 лет. И хотя Кволек не стала врачом, она спасла много жизней, спасает их и сейчас и спасет в будущем – а все благодаря созданному ей материалу, коренным образом изменившему представления людей о возможности полимеров.

В 1946 году 23-летняя Стефани Кволек получила степень бакалавра химии в колледже Маргарет Моррисон Карнеги Университета Карнеги – Меллон. Кволек планировала стать врачом и надеялась, что сможет скопить денег на медицинское образование за счёт подработок в химической области. Она нашла работу в компании «Дюпон», лозунгом которой в то время было «Лучшие вещи для лучшей жизни с помощью химии». Работа Кволек в «Дюпон» оказалась очень продуктивной, она втянулась в исследования, забыла о карьере врача и проработала в этой компании до выхода на пенсию в 1986 году, и после пенсии до сих пор остается консультантом компании «Дюпон».

В 1964 году, в ожидании нефтяного дефицита в США, исследователи из группы Кволек начали искать лёгкое, но прочное волокно, которое могло бы использоваться для увеличения прочности, а следовательно – и долговечности автомобильных и велосипедных протекторов.

Кволек решила, что волокна нужного свойства могут быть получены на основе полиамидов, одним из представителей которых был уже изобретенный в то время и известный всем сейчас нейлон-6, в котором амидные фрагменты связаны гибкой цепью. Кволек решила заменить структурно гибкий фрагмент из шести атомов углерода на жесткую плоскую шестиугольную ароматическую систему. Благодаря ароматической, или ареновой, группе, появившейся в основной цепи полимера, новые материалы получили название «арамиды».

Полученные в группе Кволек арамиды вели себя необычно, образуя мутные растворы с небольшой вязкостью, в то время как известные к тому времени полимеры хорошо растворялись, давая прозрачный и вязкий раствор. Плохая растворимость арамидов говорила о сложностях, связанных с переработкой этих материалов, и первоначально проект по применению арамидов в качестве материалов для увеличения долговечности конструкционных материалов руководство Кволек хотело свернуть.

Однако Кволек умела отстаивать результаты собственной работы. Ей удалось убедить коллег получить волокна из опытных образцов арамидов. Оказалось, что эти волокна обладают уникальными свойствами – их прочность на разрыв в пять раз превышала аналогичные параметры стали, при этом материал был легче стекловолокна. «Дюпон» быстро капитализировала технологию создания нового материала, запатентовав его под названием «кевлар». К 1971 году были получены первые изделия из кевлара. Кволек, однако, не принимала активного участия в разработке способов применения кевлара и изделий из него.

За счет чего достигается столь уникальная прочность кевлара? Каждая макромолекула, образующая линейную цепь, связана с другими такими же нитями полимера, располагающимися поблизости от нее за счет таких прочных межмолекулярных взаимодействий, как водородные связи (добавим, что именно водородные связи приводят к тому, что всем известная нам вода при комнатной температуре представляет собой жидкость и кипит при 100° в то время как более тяжелые аналоги воды – серо– и селеноводород при комнатной температуре уже газообразны).