Com es va descobrir el Kevlar?

Clic per engrandir. Fibres de Kevlar. Crèdit: Cjp24, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0

Un dia de l'any 1964, Stephanie Kwolek, química de DuPont a Nemours, estava provant una nova barreja de polímers. El seu objectiu: descobrir una nova fibra sintètica que enfortiria els pneumàtics dels cotxes alhora que els alleugeriria. Davant dels seus ulls es forma una solució blanquinosa estranya i força inusual. Stephanie encara no ho sap, però acaba d'inventar el Kevlar, un material que revolucionarà els equips en molts camps i que la entrar a la història de les grans innovacions científiques.

Química: top 5 de les reaccions més espectaculars La  química és un món fantàstic. De vegades n'hi ha prou amb barrejar uns quants productes per generar precipitats, canvis de color i, de vegades, fins i tot explosions. Fem un breu recorregut en vídeo pel món de les reaccions químiques.

Stephanie Kwolek va néixer el 31 de juliol de 1923 en una petita ciutat nord-americana prop de Pittsburgh. Els seus pares, emigrants polonesos, li van donar molt aviat el gust per la ciència, el descobriment i l'aprenentatge. Així, passa la major part del seu temps lliure a l'aire lliure observant plantes i insectes, al costat del seu pare, un naturalista apassionat. Es meravella amb la diversitat de textures, formes, colors i materials que la natura és capaç de produir. El seu pare li explica els principals processos biològics, físics i químics que regeixen el món. Amb suavitat, forja així els fonaments del raonament científic de la seva filla, sense saber que això la portarà anys més tard a inventar un nou material amb propietats revolucionàries.

L'auge de la química sintètica i els materials polimèrics

Després de l'escola secundària, Stephanie va continuar els seus anys d'universitat de manera brillant. Però, malgrat la seva certa atracció per la química, és cap a la medicina on la dirigeix el seu cor. Quan es va graduar l'any 1946, als 23 anys, es va plantejar seriosament iniciar un nou curs de formació per ser metgessa.

Però les escoles de medicina són cares. Per tant, Stephanie decideix trobar la seva primera feina com a química per recaptar els fons necessaris per continuar els seus estudis de medicina. Va ser contractada per DuPont a Nemours, empresa especialitzada en la indústria química i pionera en el desenvolupament de nous materials polimèrics. Ràpidament es va integrar en projectes de recerca sobre el desenvolupament de nous polímers.

Clic per engrandir. Rètol de l'empresa DuPont especialitzada en el desenvolupament de nous materials polimèrics. Crèdit: Lippincott Studio, Wikimedia Commons, domini públic

Des de principis del segle XX, la química sintètica i els nous plàstics han experimentat un autèntic auge. La baquelita i la cel·lofana van fer la seva aparició a la primera dècada del segle, després van ser seguits el 1926 per la invenció del PVC, que va tenir molt ràpidament un enorme èxit comercial. El poliestirè va aparèixer l'any 1930. L'any 1935, l'empresa DuPont, per a la qual Stephanie treballaria deu anys més tard, va tenir un èxit important amb la invenció de la poliamida, una fibra sintètica molt resistent que es pot teixir finament i que serà ràpidament utilitzada pels exèrcit per dissenyar teixits de paracaigudes més resistents.

Així doncs, en temps de guerra, és l'exèrcit el que es beneficiarà en primer lloc d'aquests nous materials, com la silicona, el cautxú sintètic o fins i tot el tefló. Aquest últim va ser, de fet, utilitzat per primera vegada a la indústria nuclear militar abans d'entrar a les llars el 1960, recobrint les paelles.

A la recerca de fibres sintètiques cada cop més resistents

Per tant, als laboratoris de DuPont, Stephanie Kwolek va començar a treballar en diversos projectes que ràpidament la van fascinar. L'ambient general és d'innovació i creativitat. Un ambient que li convé perfectament. Per tant, la seva set de descobriments i nous reptes es va apagar en gran mesura, i el treball va ser tan interessant i estimulant que va canviar completament els seus plans de carrera i va abandonar la seva ambició de convertir-se en metgessa. A partir d'ara es dedicarà exclusivament a la química fins a la seva jubilació l'any 1986.

Entre els treballs sobre els quals s'emprèn, molts són els que donaran lloc a noves patents. Entre altres coses, treballarà en el desenvolupament de nous processos de polimerització per condensació a baixa temperatura, que permetin facilitar la producció de materials com el niló. A poc a poc es va consolidar com una figura important dins l'equip de recerca de l'empresa. La seva visió i creativitat científica van ser cada cop més reconegudes i finalment va guanyar un premi de l'American Chemical Society el 1959 per la seva trajectòria al llarg de la seva vida.

Clic per engrandir. Stephanie Kwolek. Crèdit: Science History Institute, Wikimedia Commons , CC by-sa 3.0

I tanmateix, la seva brillant carrera està lluny d'haver acabat. A principis dels anys 60, davant la trista perspectiva d'una propera crisi del petroli, la companyia DuPont va emprendre un nou programa d'investigació amb l'objectiu de millorar la composició dels pneumàtics i reduir així el consum de combustible dels vehicles. Per a això, cal desenvolupar nous materials i més particularment fibres sintètiques capaços de resistir condicions extremes. La idea és desenvolupar un nou material lleuger però extremadament resistent. Amb les seves habilitats, Stephanie Kwolek s'integra directament al projecte.

Invenció de les solucions de cristall líquid i descobriment del Kevlar

Stephanie es posa directament a la feina. Així, al seu petit laboratori, va començar a provar diferents combinacions de polímers per tal d'obtenir un nou material amb les propietats desitjades. Però el repte també passa per poder-ne convertir en una fibra ultra-resistent, capaç de ser teixida.

El repte és descoratjador i el primer pas és produir una solució homogènia d'una barreja de dos polímers dissolts. Els primers intents no són, però concloents, però ella no es rendeix. I un bon dia, va fer clic. Prova un nou dissolvent, que creu que és capaç de dissoldre els dos polímers que ha seleccionat finament i acaba obtenint un estrany líquid blanquinós.

"Aquesta solució era inusualment fluida, de baixa viscositat i s'assemblava a la llet, que es tornava opalescent quan es sacsejava l'ampolla", explicava uns anys després. Les solucions de polímers convencionals solen ser força clares o translúcides, amb una viscositat més o menys semblant a la de la melassa. Tot i que la solució que havia preparat semblava una mescla heterogènia per la seva opalescència, es podia filtrar fàcilment i completament a través de porus molt fins. En realitat era una solució de cristall líquid, però en aquell moment encara no ho sabia.

Les anàlisis també mostren que, en determinades condicions, les molècules d'aquesta solució s'alineen de manera paral·lela, cosa que podria permetre la producció de fibres rígides. Mai s'havien preparat aquestes solucions al laboratori. Som l'any 1964 i Stephanie Kwolek acaba d'inventar el primer material polimèric de cristall líquid: poli (p-fenilentereftalamida), pel seu sobrenom, PPD-T.

Quan porta aquesta solució per produir fibres, el tècnic tem que aquesta barreja que li sembla heterogènia obstrueixi els filtres extremadament fins de la filadora. Però Stephanie finalment el convenç perquè ho intenti. La seva intuïció científica li diu que guarda alguna cosa completament nova i que, en aquesta petita ampolla plena d'un líquid blanquinós, poden ser les bases d'un material revolucionari.

Una fibra 5 vegades més resistent que l'acer i molt més lleugera

Per sorpresa del tècnic, no només la barreja de polímers no és un problema per a la màquina, sinó que produeix fibres de color groc daurat especialment rígides. A primera vista, semblen molt més forts i rígids que el niló, que aleshores és una de les fibres sintètiques més resistents. Per tant, Stephanie envia una mostra d'aquestes fibres per passar proves de resistència.

 

Els resultats són sorprenents. Les proves tècniques mostren que a igual massa, PPD-T és 5 vegades més fort que l'acer!. Stephanie sap que acaba de fer un descobriment important. Conscient d'aquest descobriment, el director del laboratori va veure molt ràpidament les possibilitats fenomenals que obre aquest nou material. Batejat Kevlar, el PPD-T es va patentar molt ràpidament, després es va desenvolupar en diferents formes i es va comercialitzar el 1971.

 

Molt lleuger, extremadament rígid, resistent als cops, al cisallament i a la calor fins a 400 °C, sembla en primer lloc especialment indicat per a la composició d'armilles antibales o diversos equips de protecció per a l'exèrcit i la indústria, com els cascs. o guants. A poc a poc, anirà entrant en la composició d'equipaments cada cop més diversos on les seves propietats físiques aporten millores importants: pneumàtics antipunxades, cascs d'embarcacions, veles, pròtesis, material esportiu com raquetes de tennis o fins i tot esquís, fibres òptiques, etc. Avui, Kevlar s'utilitza en més de 200 aplicacions.
 

Clic per engrandir. Guants de Kevlar resistents als talls i a la calor. Crèdit: Cjp24, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0

 

La invenció del Kevlar seguirà sent un dels grans èxits de l'empresa, fet que li permetrà generar importants beneficis. Però malgrat això, Stephanie Kwolek no en va treure cap benefici econòmic, ja que la patent era propietat de l'empresa.

Una vida dedicada a la ciència

Tota la seva feina va ser però, reconeguda tant per l'empresa DuPont, que li va atorgar la medalla Lavoisier el 1995 pels seus èxits tècnics excepcionals i el seu gran paper en el descobriment del Kevlar, com també per la comunitat científica internacional. Així, rebrà diverses distincions d'institucions científiques de renom, entre elles l'American Chemical Society. El 1995, va ser incorporada a la prestigiosa llista del National Inventors Hall of Fame, que aleshores només contenia tres dones més, i va ser reconeguda com una de les 175 personalitats que han marcat la química per la Royal Society of Chemistry.

Clic per engrandir. Medalla rebuda per Stephanie Kwolek de la Royal Society of Chemistry. Crèdit: Andy Mabbett, Wikimedia Commons , CC by-sa 4.0  

Malgrat aquest èxit, Stephanie sempre es mantindrà especialment humil. La seva major felicitat, diu, és haver fet un descobriment que ha servit a la humanitat i ha salvat vides. Després de la seva jubilació, va continuar al servei del progrés científic, en particular convertint-se en consultora de DuPont, però també de l'Acadèmia Nacional de Ciències. També desenvolupa nombroses demostracions de química per a professors. Molts encara s'utilitzen avui a les escoles per introduir els escolars nord-americans a la química.

Finalment va morir als 90 anys, l'any 2014, després d'una vida dedicada al servei de la innovació i la ciència.

Ho he vist aquí.