От кукольных платьев до бронежилета

О женщине, мечтавшей стать модельером, врачом и спасать жизни людей, а также о том, каким причудливым образом воплотились ее мечты в реальность, рассказывает сегодняшний выпуск рубрики «История науки».

Из модельера в ученые

В 1930-е годы в Пенсильвании жила девочка по имени Стефани, которая очень любила делать выкройки кукольных платьев. Пока ее мама, швея, пропадала на работе, Стефани тайком пробиралась к швейной машинке и превращала лоскуты ткани в модные наряды. В детстве она не сомневалась, что станет модельером и всем на радость будет шить красивую одежду. Но когда Кволек подросла, она, следуя советам матери, решила выбрать более «серьезную» профессию.

В 1946 году Кволек выучилась на химика в женском колледже Маргарет Моррисон Карнеги при Университете Карнеги-Меллон. Но еще во время обучения Кволек поняла, что ее призвание – спасать жизни людей и больше всего ей подойдет профессия врача.

Чтобы накопить денег и продолжить обучение, Кволек начала искать временную подработку по специальности. В середине XX века редко можно было встретить женщину, работающую в промышленной химии. Резюме Кволек заинтересовало Уильяма Хейл Чарча – ученого из крупной химической компании «Дюпон». И он решил взять ее на работу в один из филиалов фирмы.

Работа в лаборатории «Дюпон» так понравилась Кволек, что она решила отказаться от карьеры врача и целиком посвятить себя химии. Спустя четыре года она переехала работать в центральный офис компании в городе Уилмингтон. Именно здесь Кволек посчастливилось открыть миру новый материал и, как оказалось, спасти тем самым жизни тысячи людей.

«Я не кричала "Эврика", но знала, что сделала открытие»

Важное открытие произошло случайно. Дело в том, что в начале 1960-х годов ходили слухи о приближающемся дефиците нефти. Ученые решили, что если сделать автомобильные шины легче, то и сами машины станут легче. Тогда энергии на передвижение потребуется меньше, и расход топлива сократится. Оставалось решить лишь одну проблему: как сделать легкие, но прочные шины? Для этого предстояло получить очень жесткое и легкое волокно.

Выполнить нелегкую задачу вызвалась Кволек. Несколько месяцев ее лаборатория экспериментировала с молекулами на основе углерода, чтобы получить более крупные молекулы, известные как полимеры. В 1964 году она, пытаясь превратить твердый полимер в жидкий, приготовила необычный раствор. Кволек ожидала увидеть прозрачную, сиропообразную смесь. Но полученная жидкость была мутной и вязкой.

Интересно, что жидкокристаллический раствор, который получила Кволек, имел природный прототип, о котором тогда не знали. Именно из растворов жидкокристаллических полимеров пауки выдавливают прочную нить паутины.

Коллеги Кволек посчитали, что из такого полимера никогда не получится волокно, а техник и вовсе отказался пропускать расплав полимера через лабораторные фильеры – тонкие отверстия в машине, которая удаляет жидкий растворитель и вытягивает полимерную нить. После долгих споров Кволек удалось уговорить техника залить смесь в машину, чтобы подвести последнюю черту под экспериментом.

К всеобщему удивлению, из раствора получилось очень прочное волокно, которое к тому же прекрасно вытягивалось. «Я не кричала "Эврика", но знала, что сделала открытие», – вспоминала Кволек в одном из своих интервью.

Во время последующих испытаний оказалось, что волокна нового материала в пять раз прочнее стали и устойчивы к огню. За феноменальную прочность отвечали водородные связи, которые намертво соединили цепи полимера: водород в одной цепи связывался с кислородом в другой. Вспомогательная связь между ароматическими соединениями еще больше укрепила полимер. Кевлар выдерживает температуру 250°C и даже некоторое время сохраняет прочность при 400°C.

Универсальный материал

Первоначально специалисты разрабатывали материал под рабочим названием «Fiber B», который пригодился бы в шинах. Но уже в 1965 году выяснилось, что применять кевлар в производстве шин – слишком дорогое удовольствие. Поэтому материал решили использовать в военной промышленности и, в первую очередь, в производстве бронежилетов.

Прежде чем появились бронежилеты из кевлара, прошло 10 лет. Некоторое время волокно тестировали, чтобы определить, способно ли оно остановить пулю. Затем специалисты определяли, сколько слоев материала потребуется, чтобы ему были не страшны пули различного калибра и летящие с разной скоростью. В 1973 году полевые испытания провели с первым семислойным жилетом. Оказалось, что если кевлар намокнет, то его защитные свойства ухудшатся. Плохо перенес материал и воздействие ультрафиолета, включая солнечный свет. Чтобы решить возникшие проблемы, ученые разработали водостойкий жилет, обтянутый тканью, которая не дает лучам солнца «испортить» жилет. Наконец, в 1975 году бронежилеты из кевлара предоставили полицейским управлениям.

С тех пор материал проник везде, где требуется очень прочное, жесткое и легкое волокно. Из кевлара делают тросы, автомобильные шины, паруса, лыжи, хоккейные клюшки и теннисные перчатки, фюзеляжи самолетов и элементы космических кораблей, бронированные лимузины и даже каноэ. Сделанный из кевлара каркас самолета весит на 360 килограммов меньше обычного. Материал используют и в строительных материалах, чтобы здания смогли защитить людей во время ураганов. Кевларом укрепляют перегруженные транспортом мосты. Для пожарных делают удобные ботинки из кевлара. Они выдерживают высокие температуры и защищают спасателя от острых предметов. По подсчетам специалистов компании «Дюпон», за первые 10 лет эксплуатации кевларовые бронежилеты спасли от пулевых ранений более трех тысяч полицейских.

Сама изобретательница работала в «Дюпоне» до 1986 года. После выхода на пенсию Кволек обучала химии старшеклассников и поощряла молодых женщин заниматься наукой.

В 2014 году, в возрасте 90 лет, Стефани Кволек скончалась. За все время работы «Дюпона» она оставалась единственной женщиной, которой удалось получить корпоративную медаль основателя современной химии Антуана Лавуазье за выдающиеся технические достижения. Кроме того, Кволек за все 40 лет работы получила более десятка патентов и множество наград за работы в области химии полимеров. В 1995 году она стала четвертой в истории женщиной, принятой в Национальный зал славы изобретателей США, а в следующем году получила американскую Национальную медаль за работу в области искусственных волокон.

В 2013 году история Кволек, рассказанная на 48 страницах, вошла в серию детских книг об изобретателях и изменивших мир идеях. Книга Эдвина Брита Викоффа называется «Женщина, которая изобрела нить, останавливающую пули: гений Стефани Кволек».

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.