Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир - Джей Берресон

Нейлон — новый искусственный шелк

Нужен был новый искусственный материал, обладавший преимуществами рэйона и избавленный от его недостатков. Такой материал, нейлон, не являющийся производным целлюлозы, был создан химиком, нанятым компанией “Дюпон” в 1938 году. В конце 20-х годах “Дюпон” заинтересовали новые полимерные материалы. Компания предложила 31-летнему химику-органику Уоллесу Хьюму Карозерсу, работавшему в Гарвардском университете, практически неограниченный бюджет для проведения независимых исследований. В 1928 году Карозерс приступил к работе в новой лаборатории компании, предназначенной для фундаментальных исследований. Сам этот факт был довольно необычен, поскольку химические компании крайне редко занимаются фундаментальными исследованиями, оставляя эту работу университетам.

Карозерс решил заняться полимерами. В то время многие химики считали, что полимеры представляют собой группы молекул, слипшихся друг с другом и образующих коллоидные структуры. (Отсюда и происходит слово “коллодий” — производное нитроцеллюлозы, использовавшееся в фотографии и производстве “шелка Шардонне”.) Иной подход к полимерам, который отстаивал немецкий химик Герман Штаудингер, заключался в том, что полимеры — это необыкновенно длинные молекулы. Самая большая молекула, синтезированная на тот момент знаменитым химиком и специалистом в области сахаров Эмилем Фишером, имела молекулярную массу 4200 (молекула воды имеет молекулярную массу 18, а молекула глюкозы — 180). Через год после начала работы в компании “Дюпон” Карозерс сумел синтезировать молекулу полиэфира с молекулярной массой 5000. Затем ему удалось довести это значение до двенадцати тысяч, что поддерживало представление о полимерах как о гигантских молекулах (за эту теорию Штаудингер в 1953 году был удостоен Нобелевской премии по химии).

Первый созданный Карозерсом полимер сначала казался пригодным для промышленного использования. При высушивании он не становился хрупким или жестким. К сожалению, он плавился в горячей воде, растворялся в обычных моющих средствах и через несколько недель распадался. На протяжении четырех лет Карозерс с коллегами создавали различные типы полимеров и изучали их свойства, пока наконец не получили нейлон, свойства которого напоминали свойства натурального шелка и который достоин был называться искусственным шелком.

Нейлон представляет собой полиамид. Это значит, что в нем, как и в шелке, мономерные звенья удерживаются друг с другом за счет амидных связей. Однако каждое аминокислотное звено в молекуле белка шелка имеет на одном конце кислотную группу, а на другом аминогруппу, в то время как в нейлоне чередуются две разные мономерные единицы: одна с двумя кислотными группами, одна с двумя аминогруппами. Первый мономер, адипиновая кислота, имеет на каждом конце по COOH-группе.

Структура адипиновой кислоты, имеющей на каждом конце кислотную группу (которую с правой стороны цепи принято записывать как COOH, а с левой стороны — как HOOC)

В сжатом виде эта формула выглядит так:

Сжатая форма изображения структуры адипиновой кислоты

Другое мономерное звено, 1,6-диаминогексан, имеет очень похожую структуру, однако вместо кислотных групп на концах этой молекулы располагаются аминогруппы (NH2). Ниже представлена структура 1,6-диаминогексана, изображенная в развернутом и в сжатом виде:

Структура 1,6-диаминогексана

Сжатая форма записи

Возникновение амидной связи в нейлоне, как и в шелке, сопровождается удалением молекулы воды, образующейся из атома водорода из NH2-группы и OH из COOH-группы. Амидная связь (-CO-NH— или — NH-CO-) соединяет между собой две разные молекулы. Именно в наличии амидной связи заключается химическое сходство между нейлоном и шелком. При образовании полимерной молекулы обе аминогруппы 1,6-диаминогексана взаимодействуют с кислотными группами на концах молекулы адипиновой кислоты. Так происходит удлинение цепи. Версия нейлона, синтезированная Карозерсом, стала известна как “нейлон-66”, поскольку в каждом мономерном звене содержалось по шесть атомов углерода.

Структура нейлона, демонстрирующая чередование молекул адипиновой кислоты и 1,6-диаминогексана

В 1938 году состоялся коммерческий дебют нейлона: из него начали делать щетину для зубных щеток. В 1939 году в продаже появились нейлоновые чулки. Оказалось, что этот полимер является идеальным материалом для их изготовления. Он обладал многими притягательными свойствами шелка. Нейлоновые чулки имели потрясающий успех. Уже в первый год было выпущено и продано около 64 миллионов пар нейлоновых чулок. Популярность этого товара была так высока, что в английском языке слово nylons стало синонимом слова “чулки”. Благодаря своей удивительной прочности, долговечности и легкости нейлон быстро нашел применение и в производстве других товаров: рыболовных лесок и сетей, струн для теннисных и бадминтонных ракеток, хирургических нитей и изоляционных материалов.

Во время Второй мировой войны “Дюпон” переключился с выпуска нежных дамских чулок на продукцию для военных: шинного корда, москитных сеток, метеозондов, тросов и так далее. Нейлон оказался прекрасным заменителем шелка при изготовлении парашютных строп. После войны заводы по производству нейлона вернулись к мирной продукции. К концу 50-х годов из нейлона изготавливали одежду, горнолыжные костюмы, ковры, фурнитуру, паруса и многие другие товары. Кроме того, нейлон прекрасно подошел для производства формовочной массы и стал первым “инженерным пластиком”, то есть пластиком, прочность которого позволяла использовать его вместо металла. Только с этой целью в 1953 году было произведено свыше четырех миллионов тонн нейлона.

К сожалению, Уоллес Карозерс не дожил до признания своего открытия. Он стал жертвой глубокой депрессии, которая усугублялась с возрастом. В 1937 году он покончил с собой, приняв цианистый калий, и так и не узнал, насколько важную роль стала играть синтезированная им полимерная молекула.

Шелк и нейлон используют в одних и тех же областях. Они обладают очень похожей структурой и удивительной прочностью, которая позволяет делать из них и чулки, и парашюты. Оба полимера, каждый в свое время, сильно повлияли на экономическую ситуацию в мире. Потребность в шелке не только способствовала развитию мировой торговли, но и ускорила рост городов и появление новых отраслей промышленности, таких как красильное производство, прядение и ткачество. Шелк способствовал росту благосостояния и серьезным изменениям в жизни многих народов мира.

После Второй мировой войны, когда из нейлона вновь стали производить трикотажные изделия, женщины бросились покупать любимые чулки

Подобно тому, как шелк и производство шелка на протяжении столетий диктовали моду на одежду, фурнитуру и мебель, появление нейлона и других новых видов текстильной продукции значительно повлияло на современный мир. Когда-то исходным материалом для изготовления одежды были растения и животные. Теперь же сырьем для большинства текстильных производств служат побочные продукты переработки нефти. Как некогда потребность в шелке, нынешняя потребность в нефти содействовала установлению новых торговых связей, открыла новые торговые пути, способствовала расширению старых городов и основанию новых, создала новые отрасли промышленности и рабочие места, а также способствовала росту благосостояния и серьезным изменениям в жизни людей во многих частях света.

Глава 7

Фенол

Первый искусственный полимер появился за двадцать пять лет до нейлона, выпущенного компанией “Дюпон”. Это был материал со случайно расположенными перекрестными сшивками, соединяющими молекулы, химическая структура которых напоминает структуру некоторых молекул пряностей. С молекулами пряностей мы связываем начало эпохи Великих географических открытий, с фенолом — начало эпохи пластмасс. Фенолы, применяющиеся в столь разных областях, как хирургия, охрана животных, фотография и выращивание орхидей, являются основой многих достижений, изменивших современный мир.

Безопасная хирургия

До 6о-х годов XIX века люди соглашались ложиться в больницу, а тем более подвергаться хирургической операции, только в самом крайнем случае. В больницах было темно, грязно и душно. Новых пациентов обычно укладывали на то же белье, что осталось от предыдущих пациентов (вполне возможно, покойных). Хирургические отделения источали ужасное зловоние — результат гангрены и сепсиса. Таким же ужасным был показатель смертности от бактериальных инфекций. Не менее 40 % пациентов, перенесших ампутацию конечностей, умирали от так называемых больничных инфекций. В армии этот показатель достигал 70 %.