Neprůstřelný kevlar zachraňuje životy

Právě před půl stoletím, v roce 1965, objevila americká chemička Stephanie Kwoleková látku vedoucí k vývoji supersilného vlákna kevlar. Její vynález se stal synonymem pro neprůstřelné vesty, které zachránily životy bezpočtu policistů a vojáků. Společnost DuPont, pro níž Kwoleková od roku 1946 pracovala, loni oznámila, že tato žena ve věku 90 let zemřela. (ČTK: Agentura Reuters, Washington, 21. června 2014.)

Ano, i věda má své ženy! Nejznámějším příkladem je asi Marie Curie-Sklodowská, ale říkají vám něco také jména Hypatia Alexandrijská, Sophie Brahe, Maria Geatani Agnesi, Maria Kirschová, Caroline Herschlová, Emmy Noetherová, Sofie Kovalevská, Karen Uhlenbecková, Sophie Germainová, Florence Naghtingalová, Maria Goeppert-Mayerová, IréneJoliot-Curieová, Lise Meitrenová, Anna Honzáková, Mileva Einsteinová-Maričová, Gerty Coriová, Rachel Carsonová, Rosalyn Yalowová, Adéla Kochanovská-Němejcová, Jane Goodallová, Rita Levi-Montalciniová, Dorothy Crowfoot-Hodgkinová či Barbara McClintocková? Nositelky uvedených jmen patří například i mezi laureátky Nobelových cen a dalších významných ocenění. Celá čtyři tisíciletí ženy dokazovaly, že jsou ve vědě a technice stejně schopné jako muži. Přesto byl názor na jejich přístup ke vzdělání ještě před sto lety většinou odmítavý nebo alespoň zdrženlivý.

Stephanie Kwoleková – křehká a cílevědomá dáma

Do faktografie přírodovědného a technického poznávání patří životní osudy a vynálezy jedné vysoce vzdělané, spíše tiché a na pohled křehké, avšak mimořádně tvrdohlavé a cílevědomé dámy. Příběh vysokého pracovního nasazení a záblesků intuice vedl před 50 lety k významnému objevu nové polymerní látky – legendárního kevlaru. Jeho název se stal synonymem jména jeho objevitelky Stephanie Kwolekové.

Životní osudy lidí, kteří se zapsali do historie polymerů a zasloužili se o materiálovou revoluci, by vydaly na řadu zajímavých i napínavých publikací. Poprvé v historii vědy a techniky začali připravovat nové materiály cíleně, na základě teoretických představ a výpočtů. Úspěch v jedné laboratoři ovlivňoval zaměření a úsilí dalších pracovníků, i když na jiném místě světa. Rozmanitost polymerních materiálů a jejich absolutní objem průmyslové výroby tak neustále rostl. Nastalo nové období v historii lidstva, věk polymerů. Za tento historický předěl ve výzkumu polymerů se považuje zveřejnění objevu nylonu v roce 1939, ačkoliv zdaleka nebyl prvním umělým polymerem.

Předcházel nylon

Téměř dvacet let před Kwolekovou nastoupil v roce 1928 do nově vybudovaných ústředních laboratoří firmy DuPont mladý 32letý profesor na Harvardu, doktor Wallace Hume Carothers. Byl pověřen vedením laboratoře pro vývoj polymerů  a dostal možnost vybrat si nové kolegy a dokonce si stanovit výši platu. Výsledkem jeho experimentální práce byly zajímavé materiály, které z něj učinily otce vědy o polymerech: chloroprenový kaučuk (neopren), polyestery, a konečně také polyamidy, zejména polyamid 66, což je kondenzační produkt kyseliny adipové a hexametylendiaminu (čísla naznačují, že obě látky obsahují po šesti atomech uhlíku). Název „nylon“ byl odvozen od jmen největších měst USA a Velké Británie, NY (New York), LONdon. Mezi polymerními chemiky se traduje i jiné vysvětlení názvu, že se totiž slovo nylon později spojilo s Carothersovou nadávkou, když se právě po řadě úspěšných syntéz a přihlášení patentu v roce 1935 dozvěděl, že Japonci hrozí zablokovat dovoz čínského hedvábí do USA. Údajně prý rozhořčen zvolal „Now You, LOusy Nippon!“(Teď uvidíte, všiví Japončíci!).

Počátek průmyslové výroby vláken z polyamidu 66 pokřtěného obchodním názvem „nylon“, oznámil veřejně viceprezident DuPontu Charles Stine v New Yorku při příležitosti konání Světové výstavy (New York World's Fair) v roce 1939. Nejatraktivnější část expozice ukazovala spřádání nylonového vlákna, které zde bylo poprvé propagováno coby perspektivní tkanina pro textilní průmysl. Tato nová chemická textilní vlákna se pro společnost stala zlatým dolem. Jen první rok se v USA prodalo 64 milionů párů nylonových punčoch. Po zahájení druhé světové války se stal nylon vojenským strategickým materiálem; místo „nylonek“ se vyráběly například padáky, sítě proti moskytům, nitě pro chirurgy, stany nebo výztuže pneumatik (tzv. „kordové hedvábí“). Tentýž produkt jiných výrobců dostal podobná jména: u nás silon, v Rusku kapron, východoněmecký byl dederon a (západo)německý perlon.

Od ručních prací k přírodním vědám

Stephanie Kwoleková se narodila 31. července 1923 v malém pensylvánském městě New Kensingtonu v dělnické rodině s údajně českými kořeny. Její otec John Kwolek pracoval v místní továrně jako formař. Když v roce 1934 zemřel, vdova Nellie Zajdel Kwoleková nastoupila sama do zaměstnání, aby uživila dvě děti. Stephanie měla již jako malá krejčovské nadání a šila složité oblečky pro panenky, takže se po určitou dobu uvažovalo o tom, že by se dala na dráhu módní návrhářky. Již tehdy překvapovala okolí snahou o dokonalé provedení jakékoliv práce a vůlí výsledky stále vylepšovat , popřípadě začít na novém „díle“, aby odpovídalo jejím představám. Ještě v době, kdy s vynikajícím prospěchem končila střední školu, měla ráda ruční práce, ale nakonec se jejím hlavním zájmem stalo studium přírodních věd. V roce 1942 se nechala zapsat na Carnegie Institute of Technology (nyní soukromá výzkumná Univerzita Carnegie-Mellon) v Pittsburghu, kde studovala chemii a biologii. Motto školy „Srdce dávám do práce“ ji provázelo po celý další život. Doufala, že přestoupí na medicínu, ale nemohla si dovolit platit vysoké školné. Na cestě za svým životním snem tedy přerušila studium chemie a v roce 1946 nastoupila do zaměstnání u společnosti E. I. DuPont de Nemours and Company (Du Pont), aby si vydělala peníze na medicínská studia. Přijímací pohovor v centrále koncernu ve Wilmingtonu ve státě Delaware probíhal velice slibně, ale když na závěr jednání zazněla klasická fráze „my se vám ozveme“, něco se v na pohled nenápadné a subtilní mladé ženě vzbouřilo – prohlásila, že nabídku místa potřebuje ihned. A dostala ji! Vznikla legenda. Zůstala u DuPonta plných 40 let. Brzy totiž zjistila, že právě chemická laboratoř je její místo v životě.

Doktorka Stephanie Kwoleková se svou dvojí odborností měla být pro laboratoře DuPont vítanou posilou. Ale ve čtyřicátých letech pracovalo v chemickém výzkumu velmi málo žen, a těm ještě dávali jejich mužští kolegové nepokrytě najevo, že tam nejsou vítané. Navíc se ocitla v týmu úspěšných, ve vědeckých kruzích uznávaných a americké veřejnosti známých „tvůrců nylonového věku“. V rozhovoru z roku 1986 na to Kwoleková vzpomínala: „Ženy, které jsem znala, i ty s titulem Ph.D., vydržely tak dva nebo tři roky a odcházely vyučovat,do škol často do dívčích kolejí. Ale některé se rozhodly vydržet za každou cenu. Já byla jednou z nich.“

Rozvoj nových materiálů vedla společnost DuPont

Po druhé světové válce se chemikové učili, jak vyrábět vlákna z petrochemických surovin. Velké chemické společnosti měly již v šedesátých letech minulého století k dispozici celá oddělení, jejichž jediným úkolem bylo vynalézat nové polymerní materiály. DuPont, jako jeden z největších nadnárodních koncernů v oblasti chemické výroby, zejména produkce a zpracování polymerů, měl v té době vůči konkurenci náskok. Vědci z jeho laboratoří, pro které bylo hledání nečekaného každodenní rutinou, měli za sebou patenty na výrobu a zpracování takových materiálů, jakými jsou nejen polyamid Nylon, ale například také polyester Dacron, akrylát Orlon či elastická látka Lycra. V roce 1938 objevil doktor Roy Plunnket, pracující v laboratoři DuPontu v Deepwater Point, nový materiál s úžasnými vlastnostmi, polytetrafluoretylen, neboli PTFE. Společnost si jej ihned nechala zaregistrovat pod obchodní značkou Teflon.

Na počátku šedesátých let 20. století zahájila„Výzkumná laboratoř pro průkopnické projekty“ vývoj vysoce odolných a lehkých vláken, která by mohla nahradit ocelové kordy v radiálních automobilových pneumatikách. Již tehdy se začalo kalkulovat s možným nedostatkem benzínu a vznikem ropných krizí. Vedení DuPont si uvědomilo, že se v produkci automobilů dříve či později stane důležitým faktorem spotřeba paliva. Předpokládalo se, že snížením hmotnosti vozidel včetně pneumatik se sníží i spotřeba paliva, aniž by se omezil výkon vozů. Kwoleková tehdy pracovala s aromatickými polyamidy (aramidy) a pokoušela se vyvinout nový syntetický materiál stejně pevný jako ocel. Zprvu se podílela na objevu meta-aromatického polyamidu Nomexu (meta-aramidu) odolného především vůči vysokým teplotám; dnes je důležitou složkou ochranného vybavení hasičů, a také se běžně užívá jako elektrický izolant.

Cesta za vláknem pevnějším oceli

Kwoleková se domnívala, že monomer podobný tomu, který tvoří polymer Nomexu, by se mohl použít na výrobu nějakého jiného vysoce pevného vlákna. Polymer z para-aminobenzoové kyseliny, který se jí podařilo syntetizovat, však vzdoroval všem běžným rozpouštědlům a nedal se ani roztavit. A nerozpuštěný nebo neroztavený polymer nelze zvláknit. Zkusila to tedy jinak. Postupovala proti běžné zkušenosti a začala zvyšovat koncentraci roztoku. Stala se podivuhodná věc – s rostoucí koncentrací viskozita zpočátku rostla podle očekávání, avšak při určité dosti vysoké koncentraci poklesla. Objev byl sice zajímavý, ale něco stále „nesedělo“. Konvenční polymerní roztoky jsou obvykle čiré nebo průsvitné a mají hustotu zhruba jako melasa nebo tekutý med. Tato směs však vypadala jako zakalená voda s hustotou vodového mléka a vzhledu podmáslí. „Normálně se takové roztoky vylévaly,“ vzpomínala Kwoleková v interview publikovaném roku 2003 v Invention Technology Magazine. Ona však instinktivně věřila, že objevila něco důležitého. Dnes víme, že tyčinkovité molekuly aramidů utvoří při kritické koncentraci v kapalném stavu uspořádanou strukturu – kapalný krystal. Místo toho, aby zvláštní substanci zlikvidovala nebo alespoň odložila, předvedla ji vedoucímu spřádací jednotky. Sotva se na její roztok podíval, kategoricky jej odmítl nalít do svého drahého stroje. Byla to však jediná možnost, jak se přesvědčit, zda je z roztoku možné vytvořit vlákno. Kwoleková proto látku přefiltrovala a zjistila, že se jedná o homogenní kapalný polymer, a že v něm žádné pevné částečky nejsou. Předala ho tedy znovu na zvláknění, ale ani tentokrát neuspěla. Nakonec onu zakalenou kapalinu zvlákňovací tryskou protlačili a vytvořili vlákno, aniž by stroj sebeméně poškodili. Testy ukázaly, že vlákna jsou neuvěřitelně houževnatá, devětkrát tužší než cokoli do té doby vyrobeného. Byla pětkrát odolnější než ocel. Ale co kdyby to bylo pouze dílo šťastné náhody, co když se vlákno časem znehodnotí nebo bude mít nějaké jiné vady? Kwoleková proto pokračovala v dalších experimentech a poslala vlákno na testy ještě několikrát, než se nakonec  nechala přesvědčit. Když o tom řekla kolegům, byli nadšeni. Uvědomovali si význam jejího objevu. Kwoleková si dala nové vlákno patentovat a patent převedla na firmu DuPont, která jí za odměnu povýšila.

Kevlar je konečně na světě

Převedení laboratorní a poloprovozní výroby kevlaru až k produkci řádově tisíců tun za rok ale vyžadovalo ještě překonání celé řady překážek, z nichž se některé  vynořily zcela nečekaně. Avšak Štěpánčin objev ukázal cestu a nastartoval další rozsáhlý výzkum kapalně krystalických polymerů. Protože byla para-aminobenzoová kyselina jako výchozí surovina příliš drahá, ukázal se jako nejvhodnější kandidát pro průmyslovou aplikaci polymer vyrobený z levnějšího para-fenylendiaminu a kyseliny tereftalové (PPD-T). Posléze se staly základem proslulého para-aromatického polyamidu – kevlaru 49. Také bylo třeba přijít na nový speciální typ zvlákňování. Značným ekologickým problémem byla likvidace odpadů. Na každý kilogram vyrobeného kevlaru totiž zůstávají čtyři kilogramy koncentrované kyseliny sírové jako odpad. Optimálním řešením nakonec bylo její obvyklé převedení na nerozpustný síran vápenatý, který našel uplatnění v podobě kvalitní sádry ve výrobě stavebních hmot. Problém představovalo i používání nebezpečného rozpouštědla (100% kyselina sírová) při vlastní polymeraci, které si mimo jiné vynutilo mimořádně náročnou ochranu obsluhy. Z těchto a dalších technicko-technologických důvodů není kevlar právě levný a na trh byl uveden až v roce 1971, tedy šest let od svého objevu.

Aplikace

Poslední problém znamenalo nalézt pro kevlar ekonomicky zajímavé aplikace. Díky vynikajícím mechanickým, chemickým a elektrickým vlastnostem se v průběhu času použití vyřešilo samo – kevlar se uplatní všude tam, kde je třeba pevnost v odlehčeném stavu. Používání kevlaru se dnes neomezuje jen na ochranu policistů, vězeňských dozorců, pracovníků různých „ochranek“, hasičů a samozřejmě vojáků neprůstřelnými vestami obvykle s balistickou odolností postačující pro ruční palné zbraně kalibrů 5,6 až 11,2 mm. Díky vysoké měrné pevnosti se z něj vyrábějí nosná lana mostních konstrukcí, visutých mostů a výtahů, dlouhých vlečných a záchranných lan a sítí, ale také hydraulické hadice, převodové řemeny, obaly světlovodných kabelů, desky plošných spojů pro náročné aplikace, nepotopitelné čluny, kajaky, horolezecké boty, cyklistické přilby, kvalitní motocyklové a automobilové pneumatiky, nádrže vozů Formule 1, hubice u benzinových čerpadel, lyže, tenisové rakety, baseballové pálky a hokejové hole, nehořlavé matrace nebo brzdové destičky do aut. Uplatňuje se také v kombinaci s jinými materiály – při navrhování dopravních a vojenských letadel či jako součást různých kompozitů. Jednou z nejnovějších aplikací je záchranná skluzavka americké firmy Selanic Industries. Roura z kevlarové sítě umožňuje rychlou evakuaci osob z lodí, ropných plošin nebo vysokých budov. U nás je téměř neznámá kevlarová drť a její použití jako náhrady za asbest do třecích a těsnicích materiálů. Zajímavé vlastnosti dodává nátěrovým hmotám, lepidlům a tmelům (zvyšuje jejich přilnavost k povrchu natolik, že nehrozí stékání). Toto mnohostranné použití je dáno strukturní podstatou kevlaru, tj. specifickou trojrozměrnou strukturou, kdy rovnoběžné tuhé molekulární řetězce příčně svázané vodíkovými můstky vytvářejí vrstvy rovnoběžné s osou vlákna. Všechny tyto molekulární vrstvy směřují do středu vlákna jako listy v rozevřené knize. Takové strukturní uspořádání nebylo dříve nalezeno u žádného polymeru.

Uvedení do Národní vynálezecké síně slávy

V roce 1986, po čtyřiceti letech práce u firmy DuPont, odešla Stephanie Kwoleková do důchodu. Výrazem ocenění jejích úspěchů se stalo její uvedení do Národní vynálezecké síně slávy v roce 1995. V roce 1997 Stephanie Kwoleková získala Perkinovu medaili Americké chemické společnosti. Takového uznání od kolegů z vědecké komunity pro ni nepochybně znamenalo jistou satisfakci. Mnohem přednější však bylo vědomí, že její vynález pomohl zachránit nespočetné lidské životy. „Nemyslím, že nám může cokoliv přivést takové uspokojení a pocit štěstí, jako zachraňování lidských životů,“ řekla kdysi tato skromná žena, která zachránila více životů než kdokoliv jiný. Dlouhou a úspěšnou životní pouť ukončila 18. června 2014 neúprosná smrt.

Poznámka na závěr

V českém jazyce se v běžné mluvě označují nové syntetické materiály nejrůznějšími, často nesprávnými názvy: umělé nebo plastické hmoty, plasty, syntetické látky, termoplasty, organická skla a podobně. V tomto textu dáváme přednost obecnému termínu „polymery“. Řecká předpona „poly“ znamená „mnoho“ nebo „více“ (podobně jako polygamie, polyhistor či polyfonie).

Zdroje

Encyclopedia Britannica. 100 nejslavnějších vědců. Brno 2009.

Craughwell, F., J.: Nejznámější vědci ve službách války. Frýdek-Místek 2011.

Gaughan, R.: Omylem géniem. Praha 2013.

Gruber, J.: Zpravodaj SPŠ strojnické, Plzeň 2004.

Halada, J., Hlavačka, M.: Světové výstavy. Praha 2000.

Houdek, F.: Moudrost vědy v citátech. Praha 2015.

Jonšta, Z.: Perspektivy rozvoje materiálového inženýrství. Hutnické listy, č.3/2O15, roč. LXVIII.

Kolektiv: Technický slovník. Praha 2003.

Kronika nápadů, které změnily svět. Praha 2004.

Lucia, L., S.: Ženy, které změnily svět. Frýdek-Místek 2011.

Militký, J.: Textilní vlákna. Liberec 2002.

Mleziva, J.: Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití, Praha 1993.

pepandemonium.blogspot.cz

Raab, M.: Materiály a člověk. Praha 1999.