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).
Водородные связи, возникающие в кевларе, образуются между противолежащими амидными группами, а точнее – атомами водорода фрагмента NH и атомами кислорода фрагмента CO – именно такой тип водородной связи также ответственен за устойчивость полиамидов природного происхождения – молекул белка.
Дополнительно прочность кевларовых нитей обеспечивается еще одним типом межмолекулярных взаимодействий – стекинг-взаимодействием параллельно ориентированных бензольных колец арамида (кстати, стекинг-эффект участвует в стабилизации вторичной структуры других природных биомолекул – нитей ДНК). Сочетание двух этих типов межмолекулярных взаимодействий и обеспечивает высокую прочность на разрыв кевлара, в конечном итоге обеспечивающую его практическое применение.
Кевлар используют как армирующее волокно в композитных материалах, которые получаются прочными и лёгкими. Кевлар используется для армирования автомобильных покрышек и медных и волоконно-оптических кабелей (нитка по всей длине кабеля, предотвращающая растяжение и разрыв кабеля), в диффузорах акустических динамиков и в протезно-ортопедической промышленности для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп. Кевларовое волокно также используется в качестве армирующего компонента в смешанных тканях, придающего изделиям из них стойкость по отношению к абразивным и режущим воздействиям: из таких тканей изготовляются, в частности, защитные перчатки и защитные вставки в спортивную одежду (для мотоспорта, сноубординга и т. п.). Также он используется в обувной промышленности для изготовления антипрокольных стелек. В последнее десятилетие кевлар получил распространение в судостроении. Его применяют выборочно – только в килевой части или по швам. Однако, несмотря на исключительные механо-физические свойства кевлара, его химически он не так устойчив: облучение ультрафиолетом приводит к быстрому разрушению кевлара, и для эксплуатации кевларовых изделий вне помещений на них необходимо наносить покрытие, защищающее материал от солнечного света.
Механические свойства материала делают его пригодным для изготовления средств индивидуальной бронезащиты – бронежилетов и бронешлемов. Исследования второй половины 1970-х годов показали, что волокно марки кевлар-29 и его последующие модификации при использовании в виде многослойных тканевых и пластиковых (тканевополимерных) преград показывает наилучшее сочетание скорости поглощения энергии и длительности взаимодействия с ударником, обеспечивая тем самым относительно высокие, при данной массе преграды, показатели противопульной и противоосколочной стойкости. Это одно из самых известных применений кевлара, которое спасло тысячи жизней. Существует даже легенда про полицейского, который пришел в гости к Кволек и попросил ее оставить автограф на бронежилете, остановившем предназначавшуюся для него пулю.
Вклад Стефани Кволек в науки о материалах оценили не только охранники правопорядка. В 1995 году она стала четвёртой женщиной, принятой в Национальный зал славы изобретателей США, в 1996-м получила Национальную медаль технологии США, в 1997 году получила медаль Перкина от Американского химического общества, а в 2003-м была принята в Национальный зал славы женщин.
Итак, когда Стефани Кволек начала свое исследования, желая получить подходящие волокна для армирования автопокрышек, никто не подозревал, как повлияет ее работа на теорию и практику науки о материалах и что именно эта женщина станет самым известным мастером-бронником для персональной брони ХХ века. Сложно представить, что бы произошло, если бы она, накопив необходимую сумму, все же решила бросить химию и уйти в медицину.
3.6. Пектин
Любите ли вы варенье? А джем, повидло? Может быть, мармелад? Без пектина, придающего этим лакомствам структуру, все они просто оставались бы жидкими.
Хотя люди готовят варенье, повидло, мармелад и другие пектиносодержащие сладости веками, пектин был впервые выделен в 1825 году французским химиком и фармацевтом Анри Браконно; название вещества происходит от греческого слова pektikos – «студнеобразный».
Пектин можно обнаружить как внутри клеток растений, так и в межклеточном пространстве; биологическая роль пектина заключается в увеличении механической прочности клеток, придания им формы и жесткости. Содержание пектина в растительных тканях, как, впрочем, и его точный состав и строение могут меняться в зависимости вида растения, а для одних и тех же биологических видов – от условий произрастания, времени года и различных частей одной и той же особи. Так, в плодах фруктовых деревьев наибольшее содержание пектина наблюдается в кожуре и семенах.
Пектин представляет собой структурный полисахарид с достаточно сложной молекулярной структурой. Преимущественно главную цепь полимера-пектина составляют остатки этерифицированной (с группами COOCH3) и неэтерифицированной (с группами COOH) D-галактуроновой кислоты, однако, как в основной цепи полимера, так и в боковых группах могут встречаться остатки других сахаров, и не только их. Карбоксильные группы СООН D-галактуроновой кислоты в воде диссоциируют, теряя ион водорода и образуя заряженный фрагмент СОО—, связанный с общей полимерной цепью. Формирование на одной цепи большого количества одноименно заряженных атомных группировок приводит к тому, что они отталкиваются друг от друга, молекула пектина распрямляется, увеличивая свой объем, а соседние нити пектина отталкиваются друг от друга.
Наиболее важным свойством пектина является то, что в определенных условиях он может принимать трехмерную структуру – ту самую, которая не дает повидлу, намазанному на хлеб, растекаться. Однако пектин является не единственным важным компонентом повидла или джема – для их изготовления нам также нужны сахар и кислота.
При относительно высокой кислотности депротонирование карбоксильной группы СООН подавляется, поэтому, хотя нити пектина и распрямляются, их взаимное отталкивание не происходит. В большинстве фруктов и ягод содержания кислоты вполне хватает для такого подавления депротонирования, однако при приготовлении джемов и повидла из некоторых особо сладких сортов плодоягодного сырья рецептура требует незначительных добавок лимонной кислоты или лимонного сока. Молекула пектина также весьма гидрофильна (водолюбива или просто – охотно связывается с водой), поэтому отдельные молекулы пектина «обволакиваются» оболочкой из молекул воды. При наличии в растворе помимо пектина еще и сахара, который также «водолюбив», часть молекул воды связывается именно с сахаром, а не с пектином, что позволяет нитям пектина сблизиться и взаимодействовать друг с другом. Возможность такого сближения наряду с неполным депротонированием групп СООН приводит к тому, что отдельные нити пектина сближаются и образуют трехмерную сеть молекулярную, внутри которой оказываются и меньшие по размеру молекулы сахара и воды.
При готовке варенья и других кондитерских изделий из фруктов и ягод мы должны нагреть плодоягодное сырье для того, чтобы из клеток сырья выделился пектин, сок, представляющий собой в первую очередь воду, и вещества, обеспечивающие аромат. Также к смеси добавляют сахар (строго говоря, с химической точки зрения надо добавлять его уже после первичного нагрева ягод и фруктов, но есть куча рецептов, в которых сырье еще и отстаивается с сахаром от получаса до ночи). Смесь, содержащая уже все, что надо, должна нагреваться до точки гелеобразования, которая для джемов и желе составляет около 103–105 °C (в промышленности обычно готовят джемы при более низкой температуре, ускоряя гелеобразование и выкипание воды за счет создания разрежения специальными насосами). При охлаждении образуется трехмерная сетка из молекул пектина, и джем или варенье застывают до соответствующей консистенции. Звучит просто, но для того чтобы сделать варенье, которое радовало бы и язык (в желудке, однако, нет вкусовых рецепторов), и глаз, нужно набить руку, выдерживая при этом правильный баланс всех ингредиентов.