Прочнее стали: как Стефани Кволек открыла материал «кевлар»

Что общего у бронежилета, автомобильной шины и спасательного троса? Секрет кроется в мутном растворе, который коллеги химика Стефани Кволек почти вылили в раковину. Именно благодаря экспериментам Кволек появилось волокно, которое оказалось в пять раз прочнее, чем сталь.

Мечтала стать врачом: первые шаги Стефани Кволек

Стефани Луиза Кволек родилась в 1923 году в небольшом городке Нью-Кенсингтон, штат Пенсильвания. Ее родители были польскими иммигрантами. Отец, Джон Кволек, трудился на металлургическом предприятии, а мать, Нелли Кволек, увлеченная ботаникой, прививала детям интерес к природе. С ранних лет Стефани вела подробные дневники наблюдений за местной флорой, собирала гербарии и самостоятельно смешивала простейшие химические растворы. 

В школе Стефани всегда занимала первые места в конкурсах по математике и естественным наукам. Она с раннего возраста мечтала стать врачом-хирургом. Однако семья не была богатой, и обучение в медицинском вузе пришлось отложить на неопределенный срок. 

Возможно, к лучшему: в 1941 году Кволек поступила в Технологический институт Карнеги, выбрав факультет химии. Программа была насыщенной, однако далеко не такой, о какой мечтала Стефани. Студенты осваивали органический синтез, термодинамику, спектроскопию и количественный анализ, а лабораторные занятия занимали более половины свободного времени.

Очень скоро учеба перешла на службу Второй мировой войны. Стефани Кволек углубилась в основы оборонной промышленности. Преподаватели высоко оценили ее успехи в физической химии и даже ждали девушку в аспирантуре, однако Кволек предпочла скорее перейти к практике. В 1946 году она окончила университет с отличием, получив степень бакалавра наук по химии.

Карьерный путь в лабораториях DuPont 

Стефани Кволек планировала поработать совсем немного, подкопить средства на медицинскую школу и все-таки вернуться к своей мечте. Однако послевоенный промышленный бум открыл неожиданные перспективы: химические корпорации активно искали специалистов для разработки синтетических материалов.

В том же 1946 году Кволек устроилась в исследовательский центр DuPont в Уилмингтоне, штат Делавэр. Компания нуждалась в химиках-технологах для работы над новыми полимерами, и Стефани попала в отдел, который улучшал нейлон и искал альтернативные волокна. Первые годы работа Стефани прошла без громких публикаций: она изучала молекулярную структуру нитей, тестировала термическую и механическую устойчивость образцов и занималась довольно скучными отчетами. 

В то время женщины-ученые довольно часто сталкивались с непринятием: никто не верил, что им вообще может найтись место в науке. Кволек же оказалась безупречной коллегой! Она вела лабораторные журналы с архивной точностью, фиксировала каждую аномалию в вязкости или оптической плотности растворов и не отмахивалась от «неудачных» результатов. Так постепенно она зарабатывала уважение других химиков.

В начале 1960-х годов руководство поставило перед группой задачу: разработать сверхлегкое волокно для шин. Традиционный стальной корд утяжелял конструкцию и повышал расход топлива, поэтому требовался особый полимер. Стефани Кволек начала экспериментировать. Она искала способ заставить молекулы «улечься» в сверхпрочную структуру еще на этапе приготовления раствора, а не после его затвердевания.

Мутный раствор прочнее стали: как появился кевлар 

Прорыв произошел в 1965 году. Экспериментируя с поли-п-фенилентерефталамидом, Кволек получила необычный раствор. Вместо прозрачной вязкой жидкости в колбе оказалась мутная, молочного оттенка масса с очень низкой вязкостью. Коллеги рекомендовали попросту выбросить неудачный эксперимент, но Стефани настояла на пропускании раствора через прядильную фильеру. 

В результате получилась волокнистая структура, которая оказалась в пять раз прочнее стали. А масса была одинаковой! Кволек оформила патент на процесс получения волокна в 1966 году. Материал получил торговое название Kevlar. Он не поддерживал горение, сохранял механические свойства в диапазоне от -196 до +427 градусов по Цельсию и имел крайне низкую плотность. Кевлар выдерживал любые удары. 

В 1972 году материал впервые вышел на рынок в составе радиальных шин, а к середине 1970-х стал основой современных бронежилетов. Инженеры DuPont параллельно разрабатывали установки, которые могли бы непрерывно создавать волокна.

Пуленепробиваемое наследие: последние годы Стефани Кволек 

Кволек оставалась в DuPont до выхода на пенсию в 1986 году, продолжая работать над оптоволоконными покрытиями, композитными матрицами и легкими полимерными структурами для авиации. Она регулярно читала лекции в университетах, курировала молодых исследователей и участвовала в программах популяризации точных наук среди школьников и студентов.

В 1990–2000-х годах она стала одним из самых узнаваемых символов женского вклада в прикладную химию, получив медаль Перкина и премию Лемельсона–Массачусетского технологического института. В 2003 году ее имя появилось в Национальном зале славы женщин. А вот Нобелевская премия обошла химика. 

Стефани Кволек скончалась в 2014 году в возрасте 90 лет.