Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир
Шрифт:
В начале “резиновой лихорадки”, около 1834 года, американский изобретатель и предприниматель Чарльз Гудьир осуществил серию экспериментов, вызвавших гораздо более длительный интерес к резине. Гудьир был скорее изобретателем, чем бизнесменом. Он всю жизнь прожил в долгах, несколько раз становился банкротом и называл долговые тюрьмы своими “отелями”. Гудьиру пришла мысль, что путем смешивания какого-либо сухого порошка с резиной можно добиться впитывания избыточной влаги, которая делает резину липкой в жаркую погоду. Он изучил свойства разных смесей. Каждый раз ему казалось, что ответ найден, но летом проблема возникала вновь: температура поднималась, и резиновая обувь и одежда опять начинали расплываться и неприятно пахнуть. Соседи жаловались на запах, исходящий из его мастерской, спонсоры отступались, но Гудьир упрямо продолжал поиски.
Одна серия экспериментов дала интересные
Удача пришла к изобретателю только зимой 1839 года, когда Гудьир проводил эксперименты по смешиванию резины с порошком серы. Он случайно просыпал немного этой смеси на горячую печь. Чутье исследователя подсказало ему, что обуглившаяся клейкая масса может представлять определенный интерес. Он понял, что сера и нагревание изменили резину необходимым образом, однако пока не знал, сколько серы и какая температура нужны для получения оптимального результата. Гудьир продолжал эксперименты на собственной кухне. Он прижигал утюгом смесь серы с резиной, запекал ее в печи, жарил на огне, прогревал над чайником и зарывал в горячий песок.
Упорство Гудьира было вознаграждено. Через пять лет он получил воспроизводимый результат: создал резину, которая была плотной, эластичной и устойчивой в любую погоду. Однако успешный ученый продолжал оставаться неудачливым бизнесменом. За свои патенты он получил минимальный гонорар, а вот те, кому он продал свои изобретения, обогатились. Гудьир не менее тридцати двух раз подавал жалобы в Верховный суд США и выигрывал дело, но несмотря на это его права на изобретение постоянно нарушались. Он не был дельцом. Он был полностью захвачен поиском бесконечных возможностей созданного им вещества: он хотел создать из резины банкноты, ювелирные изделия, паруса, краски, автомобильные рессоры, оснастку кораблей, музыкальные инструменты, напольные покрытия, спасательные плоты. Заметим, что многие из его идей были впоследствии реализованы.
Гудьиру не везло и с иностранными патентами. Он отправил образец изобретенного им вещества в Англию и предусмотрительно не указал никаких деталей процесса вулканизации. Однако эксперт в области резины Томас Хэнкок на одном из образцов обнаружил следы порошка серы. Когда Гудьир подал заявку на изобретение в Англии, выяснилось, что всего за неделю до него заявку на разработку процесса вулканизации практически в идентичных условиях подал Хэнкок. Гудьир отказался от предложения Хэнкока поделить права на изобретение, подал в суд и проиграл. В 50-х годах XIX века на Всемирных выставках в Лондоне и Париже новый материал демонстрировался в павильонах, целиком построенных из резины. Однако Гудьир, который оказался не в состоянии оплатить счета, так как его французский патент был аннулирован по формальной причине, опять проводил время в долговой тюрьме. Интересно, что отбывая очередное заключение во французской тюрьме, он был удостоен ордена Почетного легиона. Вероятно, император Наполеон III, награждая Гудьира, признал в нем изобретателя, а не бизнесмена.
Почему она тянется?
Гудьир, который не был химиком, не знал, почему сера и нагревание так позитивно повлияли на свойства природной резины. Он не знал структуры изопрена, не знал, что резина является его природным полимером и что с помощью серы он добился образования столь важных перекрестных сшивок между молекулами. При нагревании атомы серы образуют мостики, которые удерживают между собой молекулы полимера. Прошло более семидесяти лет после открытого Гудьиром процесса, названного вулканизацией (в честь Вулкана, древнеримского бога огня), прежде чем английский химик Сэмюель Шраудер Пиклз предположил, что каучук представляет собой линейный полимер изопрена — и суть вулканизации стала наконец ясна.
Эластичность резины обусловлена ее химической структурой. Случайным образом свернутые цепи полиизопрена при натяжении выстраиваются в направлении приложенной силы. Когда натяжение ослабевает, молекулы полимера вновь сворачиваются. Длинные гибкие цепи молекул природной резины, имеющие цис-конфигурацию, недостаточно тесно прижаты друг к другу, чтобы образовывать эффективные перекрестные сшивки, и при натяжении молекулы скользят друг относительно друга. Обратная
ситуация имеет место в случае зигзагообразной структуры полностью транс-изомеров. Эти молекулы могут тесно прилегать друг к другу, образуя прочные перекрестные связи, которые не позволяют цепям проскальзывать, и поэтому такие полимеры нерастяжимы. Таким образом, транс-изомеры гуттаперча и балата представляют собой твердые и нерастяжимые вещества, а резина, цис-изомер изопрена, — гибкий эластомер.Протяженные гибкие цепи цис-изомера не могут прилегать друг к другу достаточно тесно, чтобы образовать перекрестные сшивки, поэтому при растяжении молекулы скользят друг относительно друга
Напротив, вытянутые зигзагообразные цепи транс-изомера укладываются вплотную друг к другу и образуют слишком много перекрестных сшивок, поэтому гуттаперча и балата не растягиваются
Атомы серы выступают в роли мостиков между полимерными молекулами, а нагревание способствует фиксации этих новых связей. При определенном количестве перекрестных связей молекулы резины остаются гибкими, но больше не могут проскальзывать друг относительно друга.
Молекулы резины с перекрестными сшивками (дисульфидными мостиками), предотвращающими проскальзывание цепей
После открытия Гудьира вулканизированная резина стала важным предметом потребления в мирное время и жизненно важным материалом во время войны. Всего 0,3 % серы в составе резины изменили свойства природного полимера настолько, что он больше не растекался в жару и не каменел на морозе. Мягкая резина, из которой делают резиновые ленты, содержит 1–3 % серы. В резине, содержащей 3-10 % серы, образуется больше перекрестных сшивок. Такая резина тверже. Из нее делают автомобильные шины. Если же перекрестных сшивок еще больше, резина становится слишком жесткой, чтобы ее можно было использовать в тех областях, где требуется эластичность. Так, полученный братом Чарльза Гудьира Нельсоном очень твердый черный материал эбонит, использующийся в качестве изолятора, представляет собой резину, содержащую 23–35 % серы.
Как резина изменила историю…
Когда стали ясны преимущества вулканизации резины, спрос на этот материал стал быстро расти. Млечный сок дают многие тропические растения, однако деревья рода гевея произрастают исключительно в дождевых лесах бассейна Амазонки. Буквально за несколько лет “резиновые бароны” разбогатели за счет труда наемных рабочих, многие из которых были родом как раз из района Амазонки. На самом деле система долгового рабства мало чем отличалась от обычного рабства. Как только рабочие подписывали соглашение с работодателем, они обязаны были покупать у него инструменты и продукты, а их долги росли, поскольку зарплата никогда не покрывала расходов. Сборщики резины работали от восхода до заката, собирая млечный сок, прогревая липкую массу над плотным дымом костров и оттаскивая твердые шары почерневшего латекса к месту погрузки на корабли. В сезон дождей, то есть с декабря по июнь, когда латекс не застывает, рабочие оставались в своих нищих жилищах под присмотром жестоких надсмотрщиков, которые без колебаний стреляли в тех, кто пытался сбежать.
В лесах бассейна Амазонки каучуковые деревья составляют не более 1 % растительности. С лучших деревьев можно собрать килограмм резины в год. Самые крепкие рабочие за один день могли собрать и обработать около десяти килограммов. Шары подготовленной резины на лодках отвозили скупщикам, а оттуда доставляли в Манаус, стоящий в полутора тысячах километров от Атлантического океана, на реке Риу-Негру, в двадцати километрах от ее слияния с Амазонкой. Благодаря торговле резиной тропический поселок Манаус превратился в быстро растущий город. Именно здесь заметнее всего было различие между жизнью сотни преуспевающих “баронов” (главным образом европейцев) и их рабочих. Роскошные особняки и экипажи, экзотическая пища, ухоженные сады и другие признаки изобилия и процветания можно было обнаружить в Манаусе в 1890-1920-х годах — в период резиновой монополии Бразилии. В здании оперного театра выступали звезды Европы и Америки. В какой-то момент Манаус даже приобрел славу города, в котором идет самая бойкая торговля бриллиантами.