В конце 1964 года американский химик Стефани Кволек получила сомнительный раствор: мутный, водянистый, по всем признакам — брак.
Полимерный раствор положено видеть густым и прозрачным, как патока. А вот такое, что у нее получилось - обычно выливали. Кволек вместо этого прогнала жидкость через тонкий фильтр и доказала: мутность — не грязь. Через шесть лет из этой работы вырос кевлар.
А начиналось всё с девочки, которая рисовала платья.
Стефани родилась в 1923 году под Питтсбургом, в семье польских иммигрантов. Отец-натуралист водил её по лесам и учил замечать мелочи. Мать отлично шила — дочь часами рисовала модели одежды и метила в дизайнеры.
Только вот денег на обучение не нашлось. И в 1946-м, с дипломом химика, Кволек пошла в компанию DuPont — временно, накопить на учёбу. Временная работа продлилась сорок лет.
***
Мутный раствор и упрямый оператор
В компании DuPont опасались будущего дефицита топлива и искали лёгкое волокно взамен стального корда в шинах. Кволек возилась с жёсткими ароматическими полиамидами — и в декабре 1964-го получила ту самую странную жидкость.
Дальше раствор надо продавить через фильеру — насадку с отверстиями в сотые доли миллиметра. Оператор установки Чарльз Смаллен отказался: муть — значит взвесь, а взвесь забьёт отверстия. Но Кволек уже профильтровала жидкость: сквозь фильтр прошло всё, что не нужно, осадка не осталось.
Спорили несколько дней. «Я его измотала», — смеялась она позже.
В начале 1965-го установку запустили — волокно вышло исключительно прочным и жёстким.
***
Мутность оказалась не хаосом, а порядком
Странный раствор Кволек выглядел неудачным именно потому, что молекулы в нём вели себя слишком организованно. Обычные полимеры состоят из длинных гибких цепей. В жидкости они изгибаются, перепутываются и плавают как варёные спагетти. У Кволек получились другие цепи — жёсткие и почти прямые, похожие на крошечные палочки.
Когда таких «палочек» в растворе становилось много, они начинали сами укладываться параллельно. Правда, не все сразу: в одном микроскопическом участке молекулы смотрели в одну сторону, в соседнем — в другую. Эти области по-разному пропускали и рассеивали свет, поэтому раствор казался мутным. В колбе плавал не мусор и не плохо растворившийся полимер. Кволек получила жидкокристаллический раствор — жидкость, внутри которой молекулы уже частично выстроились в строгом порядке.
Для производства волокна такая странность оказалась подарком. Когда раствор продавливали через крошечные отверстия фильеры, поток разворачивал жёсткие цепи вдоль будущей нити. Представьте горсть спичек, которую проталкивают через узкую трубку: поперёк не пройдут, приходится ложиться по ходу движения. После удаления растворителя молекулы оставались плотно уложенными. Их жёсткие ароматические цепи плохо гнулись, а множество водородных связей удерживало соседние цепи рядом.
Отсюда и необычная сила материала. Волокно трудно растянуть, потому что нагрузка идёт вдоль длинных, ровно выстроенных молекул. При сравнении по массе кевлар часто называют примерно в пять раз прочнее стали на растяжение. Но фраза «прочнее стали» требует уточнения: речь идёт о направлении вдоль волокна и о конкретном виде нагрузки. Кевларовая нить и стальной лист не взаимозаменяемы — инженер, предложивший построить мост из бронежилетов, быстро лишился бы премии.
И всё же из установки вышел ещё не тот кевлар, который позже пошёл в шины и бронежилеты. Первое сверхпрочное волокно Кволек получила из поли-п-бензамида.
Для товарного Kevlar компания выбрала родственный полимер PPTA, а Герберт Блейдс разработал способ прядения через воздушный зазор, который помогал ещё лучше вытягивать и ориентировать цепи.
Кволек нашла главный принцип: жёсткие молекулы могут выстроиться ещё в растворе. Остальная команда превратила этот принцип в промышленный материал.
***
Почему броня спасает, но не отменяет удар
Кевлар легче стали примерно в пять раз, но при равном весе может быть примерно в пять раз прочнее на разрыв.
Бронепакет ловит пулю как многослойная сеть: она тянет разом десятки нитей, напряжение разбегается от точки удара, волокна тянутся, трутся и рвутся.
Профессионалы говорят не «пуленепробиваемый», а «пулестойкий»: жилет считают под конкретные угрозы. Мягкие арамидные панели держат заданные пистолетные патроны, под винтовочные ставят жёсткие плиты — керамические, полиэтиленовые, комбинированные.
И даже остановленная пуля наносит травмы, от чего появляются гематомы и сломанные рёбра.
Кевлар не плавится — при 430–480 °C он разлагается. Зато не любит ультрафиолет и агрессивную химию.
***
Кому в итоге достался кевлар
Патент назвал Кволек изобретателем, но права по трудовому договору отошли DuPont. Роялти она не получала: ей досталась лишь зарплата, выдали две премии и несколько наград — и всё.
Волокно получило более 200 видов применений: шины, тросы, перчатки, оптоволокно. В многослойных экранах NASA оно ловит облако осколков от орбитального мусора. Материал искали ради экономии бензина — он встал между человеком и пулей и между кораблём и космическим сором.
В 2001 году лейтенант Дэвид Спайсер из Довера получил четыре выстрела из пистолета 45-го калибра почти в упор. Две пули раздробили руку, одну отклонил значок, последнюю принял бронежилет. После больницы Спайсер позвонил Кволек сказать спасибо. К 2018 году клуб выживших при Международной ассоциации начальников полиции насчитал более 3100 таких историй.
Кволек умерла 18 июня 2014 года, в 90 лет.
Случайность подсунула ей странную колбу. Наукой это стало в ту минуту, когда она отказалась записать странность в брак и потянулась за фильтром.
Сергей Ткаченко