1964 végén az amerikai vegyész, Stephanie Kwolek egy kétes oldatot kapott: zavaros volt, vizes, és minden jel arra mutatott, hogy selejt.
A polimeroldatnak sűrűnek és átlátszónak kellene lennie, mint a melasz. Amit ő kapott, azt általában kiöntötték. Kwolek ehelyett egy finom szűrőn engedte át a folyadékot, és bebizonyította: a zavarosság nem szennyeződés. Hat évvel később ebből a munkából nőtt ki a kevlár.
Minden pedig egy kislánnyal kezdődött, aki ruhákat rajzolt.
Stephanie 1923-ban született Pittsburgh közelében, lengyel bevándorlók családjában. Természetbúvár apja erdőkbe vitte, és megtanította figyelni a részletekre. Anyja kiválóan varrt, lánya pedig órákon át ruhaterveket rajzolt, és divattervezőnek készült.
Csakhogy a tanulmányaira nem volt pénz. Így 1946-ban, vegyészdiplomával a zsebében, Kwolek a DuPont vállalathoz ment dolgozni – átmenetileg, hogy összegyűjtse a pénzt a tanulásra. Az átmeneti munka negyven évig tartott.
Zavaros oldat és makacs operátor.
A DuPontnál az üzemanyaghiánytól tartottak, és könnyű szálat kerestek az autógumik acélkordjának helyettesítésére. Kwolek merev aromás poliamidokkal kísérletezett, és 1964 decemberében megkapta azt a bizonyos furcsa folyadékot.
Az oldatot ezután át kellett volna préselni egy fúvókán – egy századmilliméter nagyságrendű furatokkal ellátott fejen. A berendezés kezelője, Charles Smullen azonban megtagadta a műveletet: a zavarosság szerinte szuszpenziót jelentett, ami eltömítette volna a lyukakat. De Kwolek már átszűrte a folyadékot: a szűrőn minden átment, üledék nem maradt.
Napokig vitatkoztak. Kifárasztottam őt – nevetett később.
1965 elején elindították a berendezést – a szál kivételesen erős és merev lett.
A zavarosság valójában nem káosz, hanem rend volt.
Kwolek furcsa oldata azért tűnt sikertelennek, mert a molekulák benne túlságosan szervezetten viselkedtek. A szokásos polimerek hosszú, rugalmas láncokból állnak. A folyadékban ezek meghajlanak, összegabalyodnak, és úgy úsznak, mint a főtt spagetti. Kwoleknek másfajta láncai lettek – merevek és majdnem egyenesek, mint az apró pálcikák.
Amikor az ilyen pálcikákból sok lett az oldatban, maguktól kezdtek párhuzamosan elrendeződni. Igaz, nem mind egyszerre: egy mikroszkopikus területen a molekulák egy irányba néztek, a szomszédosban pedig másba. Ezek a területek eltérően engedték át és szórták a fényt, ezért tűnt az oldat zavarosnak. A lombikban nem szemét vagy rosszul oldódott polimer úszott. Kwolek folyadékkristályos oldatot kapott – olyan folyadékot, amelyben a molekulák már részben szigorú rendbe álltak.
A szálgyártásnál ez a furcsaság ajándéknak bizonyult. Amikor az oldatot átpréselték a fúvóka apró lyukain, az áramlás a merev láncokat a leendő szál irányába fordította. Képzeljen el egy marék gyufát, amelyet egy szűk csövön tolnak át: keresztben nem mennek át, kénytelenek a mozgás irányába feküdni. Az oldószer eltávolítása után a molekulák szorosan egymás mellett maradtak. Merev aromás láncaik nehezen hajlottak, a sok hidrogénkötés pedig összetartotta a szomszédos láncokat.
Innen ered az anyag szokatlan ereje. A szálat nehéz megnyújtani, mert a terhelés a hosszú, egyenesen elrendezett molekulák mentén oszlik el. Tömegarányban összehasonlítva a kevlár gyakran körülbelül ötször erősebb szakítószilárdságú, mint az acél. De az erősebb, mint az acél kifejezés pontosítást igényel: a szál irányáról és egy konkrét terhelési típusról van szó. A kevlárszál és az acéllemez nem helyettesíthető egymással – az a mérnök, aki golyóálló mellényekből akarna hidat építeni, gyorsan elveszítené az állását.
És mégis, a berendezésből nem az a kevlár jött ki, amely később a gumiabroncsokba és golyóálló mellényekbe került. Az első szupererős szálat Kwolek poli-p-benzamidból kapta.
A kereskedelmi forgalomba kerülő Kevlarhoz a vállalat a rokon PPTA polimert választotta, Herbert Blades pedig kifejlesztette a légrésen keresztüli fonási módszert, amely segített még jobban megnyújtani és orientálni a láncokat.
Kwolek megtalálta a fő elvet: a merev molekulák már az oldatban elrendeződhetnek. A csapat többi tagja ezt az elvet ipari anyaggá alakította.
Miért ment meg a páncél, de miért nem szünteti meg az ütést?
A kevlár körülbelül ötször könnyebb az acélnál, de azonos súly mellett körülbelül ötször erősebb lehet szakításnál.
A páncélbetét úgy fogja meg a golyót, mint egy többrétegű háló: egyszerre tucatnyi szálat húz meg, a feszültség szétterjed az ütés pontjától, a szálak nyúlnak, súrlódnak és elszakadnak.
A szakemberek nem azt mondják, hogy golyóálló, hanem hogy lövedékálló: a mellényt konkrét fenyegetésekre tervezik. A puha aramidpanelek ellenállnak a meghatározott pisztolylőszereknek, a puskagolyók ellen pedig merev – kerámia, polietilén vagy kombinált – lemezeket helyeznek be.
De még a megállított golyó is okoz sérüléseket, amitől véraláfutások és bordatörések keletkeznek.
A kevlár nem olvad – 430–480 °C-on bomlik. Viszont nem szereti az ultraibolya sugárzást és az agresszív vegyszereket.
Kié lett végül a kevlár
A szabadalom Kwoleket nevezte meg feltalálóként, de a jogok a munkaszerződés alapján a DuPontra szálltak. Jogdíjat nem kapott: csak a fizetése maradt, kapott két prémiumot és néhány kitüntetést – és ennyi.
A szálnak több mint 200-féle alkalmazása lett: gumiabroncsok, kötelek, kesztyűk, optikai szálak. A NASA többrétegű pajzsaiban az orbitális törmelék szilánkjait fogja fel. Az anyagot üzemanyag-megtakarítás céljából keresték – végül ember és golyó, valamint űrhajó és űrszemét közé állt.
2001-ben David Spicer hadnagy Doverben négy lövést kapott egy .45-ös kaliberű pisztolyból, szinte közvetlen közelről. Két golyó szétzúzta a karját, egyet a jelvénye térített el, az utolsót a golyóálló mellény fogta fel. A kórház után Spicer felhívta Kwoleket, hogy köszönetet mondjon. 2018-ra a Nemzetközi Rendőrfőnökök Szövetségének túlélőklubja több mint 3100 ilyen történetet tartott számon.
Kwolek 2014. június 18-án halt meg, 90 éves korában.
