– Итак, дамы и господа, сегодня шестое апреля 1938 года...
Нет-нет, я не перепутал дату в ваших телефонах. Просто иногда, чтобы понять настоящее, нужно мысленно туда вернуться. В тот самый день, когда один химик потерпел, казалось бы, полное фиаско — и сам того не ведая, изменил ход истории ХХ века. Речь пойдет о веществе, без которого невозможно представить ни космический корабль, ни яичницу на завтрак. О тефлоне. Так что попрошу тишины в классе: звонок на перемену прозвенит ровно через 10 минут.
Легенда, которую стоит развенчать сразу
«А, тефлон! — наверняка скажете вы. — Это же изобретение для космоса, побочный продукт космической гонки!» И будете неправы. Позволю себе решительно развеять этот миф. Да, тефлон очень пригодился NASA — без него не взлетели бы «Аполлоны», не герметизировались бы скафандры, не сохранялись бы образцы лунного грунта. Но когда 27-летний Рой Планкетт получил этот материал, американское космическое агентство существовало разве что в фантазиях Жюля Верна. Истинная история тефлона гораздо удивительнее: это история великой случайности, которая началась... с обычного холодильника.
Фреоновая лихорадка и скромный трудяга из Огайо
Чтобы прочувствовать дух эпохи, перенесемся в 1930-е годы. Представьте: в домах американцев появляются первые электрические холодильники — громоздкие чудовища, гудящие на кухнях. Проблема заключалась в хладагентах. Аммиак и диоксид серы, использовавшиеся тогда, были откровенно токсичны — любая утечка грозила смертельным отравлением. Гигант General Motors через свое подразделение Frigidaire уже разработал безопасные хлорфторуглероды (знаменитые фреоны) и заключил союз с химическим концерном DuPont.
Вот, собственно, здесь и появляется наш герой. Рой Дж. Планкетт. Запомните это имя. Сын фермера из Нью-Карлайла, штат Огайо, бакалавр химии Манчестерского колледжа, докторскую степень получил в Университете штата Огайо в 1936-м. Никакой вам романтики гениального безумца. Тихий, педантичный, трудолюбивый — идеальный винтик для корпоративной машины DuPont. В 1936 году его направили в лабораторию Джексона в Дипвотере, штат Нью-Джерси, с четкой задачей: разработать новый, еще более эффективный фреон-хладагент. Конкретно — получить новое хлорфторуглеродное соединение на замену популярному тогда R-114.
Упрямый факт: когда теория трещит по швам
Планкетт взял в работу тетрафторэтилен (сокращенно ТФЭ) — газ без цвета и запаха. План заключался в том, чтобы провзаимодействовать ТФЭ с соляной кислотой. Для масштабных экспериментов Планкетт и его ассистент Джек Ребок заготовили почти центнер (целых 50 килограммов) этого газа, закачав под давлением в небольшие металлические баллоны. Чтобы баллоны не взорвались, их охлаждали твердой углекислотой — «сухим льдом». Помните эту деталь: холод и давление. Она станет решающей.
И вот наступает 6 апреля 1938 года. Ровно 88 лет и несколько недель назад — мгновение по масштабам вселенной. Планкетт подсоединяет баллон к реакционной установке с подогретой камерой, куда также нагнеталась кислота. Открывает вентиль. И... ничего. Мертвая тишина. Газ не идет.
Первая мысль любого лаборанта: утечка. Вторая мысль: сломался вентиль. Третья: газ просто кончился. Но Планкетт не был бы Планкеттом, если бы махнул рукой и взял следующий баллон. Во-первых, вентиль оказался исправен. Во-вторых, взвешивание показало: баллон весит ровно столько же, сколько и до начала работы. Газ никуда не делся, он был внутри!
Решение, которое Планкетт принял дальше, отделяет ученого от ремесленника. Он не выбросил «бракованный» образец, не списал в утиль — хотя производственный протокол, строго говоря, предписывал именно это. Вместо этого он вместе с Ребоком с чрезвычайными предосторожностями отвинтил вентиль. Оттуда не вырвалось ни струйки газа. Перевернув баллон, они высыпали на лабораторный стол... белый скользкий порошок, напоминающий парафин. А когда рискнули распилить баллон, то обнаружили то же странное вещество, ровным слоем покрывавшее стенки сосуда изнутри.
Что же произошло? Молекулы газообразного тетрафторэтилена, содержащие двойную углерод-углеродную связь, под действием высокого давления и низкой температуры спонтанно, без всякого катализатора, полимеризовались — то есть начали сшиваться в гигантские молекулярные цепи. Газ превратился в твердый полимер — политетрафторэтилен, или сокращенно ПТФЭ. Что особенно поразительно: тогдашняя полимерная наука считала, что тетрафторэтилен полимеризоваться не может в принципе. Планкетт столкнулся с явлением, которое опровергало существующие теоретические догмы.
Великий немой материал: ни с чем не реагировать, ни к чему не прилипать
Еще до того, как придумать, куда его применить, химики оценили свойства новорожденного. Они оказались феноменальными — практически неправдоподобными:
- Абсолютная химическая инертность. Тефлон не реагирует практически ни с чем. Кислоты? Щелочи? Органические растворители? Ему безразличны даже «царская водка» и плавиковая кислота. Связь углерод-фтор — одна из самых прочных в органической химии — создает вокруг углеродного скелета молекулярную «броню», через которую не пробиться ни одному реагенту.
- Экстремальная термостойкость. Материал сохраняет свои свойства в диапазоне от –100 до +260 градусов Цельсия. При –70°С он не становится хрупким, оставаясь эластичным.
- Минимальное трение. Коэффициент трения тефлона — самый низкий среди всех известных твердых тел. Если выражаться проще — это самая скользкая субстанция на планете. К ней не прилипает буквально ничто.
Впрочем, когда Планкетт продемонстрировал открытие руководству, реакции триумфа не последовало. Представьте: вы просили инженеров разработать новую модель автомобильного мотора, а они принесли вам совершенно новую, ни на что не похожую... сковородку. Вы бы, наверное, тоже растерялись. Никто не понимал, что с этим делать. Планкетт, честно отработав открытие, даже не был допущен к дальнейшим исследованиям полимера — руководство DuPont перебросило его на другую работу, производство тетраэтилсвинца.
Тем не менее, 1 июля 1939 года заявка на патент была подана — на имя Kinetic Chemicals, совместного предприятия DuPont и General Motors, где авторство было закреплено за Планкеттом. А 4 февраля 1941 года патент US2230654A был официально выдан. В 1945-м компания DuPont зарегистрировала торговую марку Teflon.
От лабораторного курьеза к атомной бомбе: Манхэттенский проект
Первое настоящее призвание тефлон получил в условиях строжайшей военной тайны. Началась Вторая мировая, а с ней — бешеная гонка за ядерным оружием.
В рамках Манхэттенского проекта перед физиками и инженерами стояла задача: разделить изотопы урана — 235U (расщепляющийся, пригодный для бомбы) и 238U. Для этого уран превращали в газообразный гексафторид урана. Проблема заключалась в том, что это вещество является одним из самых агрессивных коррозионных агентов на Земле: оно мгновенно разъедало стандартные металлы, резину и все известные на тот момент прокладочные материалы. Тысячи метров трубопровода на гигантском заводе K-25 в Ок-Ридже выходили из строя. Утечка означала не только потерю драгоценного вещества, но и смертельную опасность для персонала.
И тут кто-то из химиков DuPont, работавших на проекте (компания была одним из ключевых подрядчиков), вспомнил про тот самый лабораторный курьез — парафиноподобный порошок Планкетта. Оказалось, что тефлон — единственный известный материал, способный выдержать длительный контакт с гексафторидом урана, не вступая с ним в реакцию. В рекордные сроки молодой химик DuPont Малкольм Ренфрю разработал промышленный метод суспензионной полимеризации, позволивший производить тефлон в достаточных объёмах. Ему, а не Планкетту, мы обязаны тем, что лабораторная диковинка стала промышленным продуктом. В условиях строжайшей секретности из тефлона изготавливали прокладки, уплотнители, клапаны, защитные покрытия для труб — всё, что обеспечило герметичность диффузионного каскада и, в конечном счете, обогащение урана.
С рыбалки — на кухню: рождение бренда Tefal
Как же материал, засекреченный для ядерной программы, попал на сковородки? Благодаря французу, который очень любил рыбалку.
В 1954 году Марк Грегуар, инженер французской Национальной аэрокосмической лаборатории (к тому моменту тефлон после войны рассекретили и искали ему аэрокосмические применения), страдал от заедающего спиннинга. Он принес с работы кусок тефлона, обмотал им сочленение удочки, и та заработала идеально. Его жена Колетт, наблюдавшая за триумфом скользкости, немедленно предложила: «Марк, а почему бы тебе не сделать то же самое с моими кастрюлями?».
Эксперимент удался — еда перестала пригорать. Марк Грегуар запатентовал технологию нанесения антипригарного покрытия на алюминий и в 1956 году открыл собственную компанию. Название родилось из химической формулы: TEтраFторэтилен + ALюминий = TEFAL.
Так один и тот же полимер сначала помог создать самое разрушительное оружие в истории, затем обеспечил герметичность космических кораблей, а потом научил домохозяек жарить омлет без масла. В ассортименте DuPont это был чудовищно дорогой материал: в 1946 году — 55 долларов за фунт, что эквивалентно примерно 1400 нынешним долларам. Но постепенно рынок бытовой посуды, а затем и десятки других отраслей — от авиационных трубопроводов до мембранной одежды — сделали тефлон вездесущим и доступным.
Эпилог: урок от учителя истории
Несколько слов в завершение, прежде чем прозвенит звонок.
О человеке. Рой Планкетт удостоился множества наград, включая Медаль Джона Скотта — ту самую, которой награждают изобретателей «за улучшение комфорта, благополучия и счастья человечества». Но любопытно, что всю оставшуюся карьеру он руководил производством фреонов и тетраэтилсвинца, больше никогда напрямую не занимаясь полимерами. Словно судьба отвела ему ровно один миг гениальной наблюдательности — и он этот миг не упустил.
О принципе. Эта история — не о «счастливчике», к которому открытие пришло само. «Случай благоволит подготовленному уму», — говорил Луи Пастер. Когда газ не пошел, лабораторный протокол требовал выбросить бракованный баллон и идти дальше. Планкетт не выбросил. Он остановился, удивился и начал выяснять. В этом — вся разница между ремеслом и наукой.
О материале. Судьба тефлона — иллюстрация того, как научное открытие живет собственной, непредсказуемой жизнью. Рожденный как неудавшийся хладагент, он стал военной тайной, потом космической технологией, а в итоге — предметом повседневного быта. В этом, вероятно, и заключается великая ирония технического прогресса.
О репутации. Да, в последние десятилетия вокруг тефлона возникли небезосновательные споры о безопасности перфторированных соединений (PFAS). Справедливости ради, сам политетрафторэтилен химически инертен и безопасен для контакта с пищей; «съесть» его невозможно, отравиться им тоже. Проблема была в технологии нанесения, требовавшей использования поверхностно-активных веществ вроде перфтороктановой кислоты (PFOA), которые действительно токсичны и способны накапливаться в окружающей среде. Но это уже тема для отдельного урока — «Экологическая химия и промышленная ответственность», запишите в тетрадях.
Итак, сегодня на уроке мы выяснили: вещество, на котором вы жарили утреннюю глазунью, напрямую связано с ядерной программой, космической гонкой и одним крайне дотошным химиком, который не поленился лишний раз взвесить бракованный баллон. Ровно в этом — хрупкая и прекрасная ирония прогресса: самые великие открытия часто прячутся за самыми прозаическими неудачами.
Домашнее задание: Зайдите вечером на кухню. Посмотрите на сковороду. Оцените иронию: эта штука сначала помогла создать атомную бомбу, а теперь помогает вам жарить драники. Урок окончен. Можете быть свободны.