Водородные связи, возникающие в кевларе, образуются между противолежащими амидными группами, а точнее – атомами водорода фрагмента NH и атомами кислорода фрагмента CO – именно такой тип водородной связи также ответственен за устойчивость полиамидов природного происхождения – молекул белка.
Дополнительно прочность кевларовых нитей обеспечивается еще одним типом межмолекулярных взаимодействий – стекинг-взаимодействием параллельно ориентированных бензольных колец арамида (кстати, стекинг-эффект участвует в стабилизации вторичной структуры других природных биомолекул – нитей ДНК). Сочетание двух этих типов межмолекулярных взаимодействий и обеспечивает высокую прочность на разрыв кевлара, в конечном итоге обеспечивающую его практическое применение.
Кевлар используют как армирующее волокно в композитных материалах, которые получаются прочными и лёгкими. Кевлар используется для армирования автомобильных покрышек и медных и волоконно-оптических кабелей (нитка по всей длине кабеля, предотвращающая растяжение и разрыв кабеля), в диффузорах акустических динамиков и в протезно-ортопедической промышленности для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп. Кевларовое волокно также используется в качестве армирующего компонента в смешанных тканях, придающего изделиям из них стойкость по отношению к абразивным и режущим воздействиям: из таких тканей изготовляются, в частности, защитные перчатки и защитные вставки в спортивную одежду (для мотоспорта, сноубординга и т. п.). Также он используется в обувной промышленности для изготовления антипрокольных стелек. В последнее десятилетие кевлар получил распространение в судостроении. Его применяют выборочно – только в килевой части или по швам. Однако, несмотря на исключительные механо-физические свойства кевлара, его химически он не так устойчив: облучение ультрафиолетом приводит к быстрому разрушению кевлара, и для эксплуатации кевларовых изделий вне помещений на них необходимо наносить покрытие, защищающее материал от солнечного света.
Механические свойства материала делают его пригодным для изготовления средств индивидуальной бронезащиты – бронежилетов и бронешлемов. Исследования второй половины 1970-х годов показали, что волокно марки кевлар-29 и его последующие модификации при использовании в виде многослойных тканевых и пластиковых (тканевополимерных) преград показывает наилучшее сочетание скорости поглощения энергии и длительности взаимодействия с ударником, обеспечивая тем самым относительно высокие, при данной массе преграды, показатели противопульной и противоосколочной стойкости. Это одно из самых известных применений кевлара, которое спасло тысячи жизней. Существует даже легенда про полицейского, который пришел в гости к Кволек и попросил ее оставить автограф на бронежилете, остановившем предназначавшуюся для него пулю.
Вклад Стефани Кволек в науки о материалах оценили не только охранники правопорядка. В 1995 году она стала четвёртой женщиной, принятой в Национальный зал славы изобретателей США, в 1996-м получила Национальную медаль технологии США, в 1997 году получила медаль Перкина от Американского химического общества, а в 2003-м была принята в Национальный зал славы женщин.
Итак, когда Стефани Кволек начала свое исследования, желая получить подходящие волокна для армирования автопокрышек, никто не подозревал, как повлияет ее работа на теорию и практику науки о материалах и что именно эта женщина станет самым известным мастером-бронником для персональной брони ХХ века. Сложно представить, что бы произошло, если бы она, накопив необходимую сумму, все же решила бросить химию и уйти в медицину.
3.6. Пектин
Любите ли вы варенье? А джем, повидло? Может быть, мармелад? Без пектина, придающего этим лакомствам структуру, все они просто оставались бы жидкими.
Хотя люди готовят варенье, повидло, мармелад и другие пектиносодержащие сладости веками, пектин был впервые выделен в 1825 году французским химиком и фармацевтом Анри Браконно; название вещества происходит от греческого слова pektikos – «студнеобразный».
Пектин можно обнаружить как внутри клеток растений, так и в межклеточном пространстве; биологическая роль пектина заключается в увеличении механической прочности клеток, придания им формы и жесткости. Содержание пектина в растительных тканях, как, впрочем, и его точный состав и строение могут меняться в зависимости вида растения, а для одних и тех же биологических видов – от условий произрастания, времени года и различных частей одной и той же особи. Так, в плодах фруктовых деревьев наибольшее содержание пектина наблюдается в кожуре и семенах.
Пектин представляет собой структурный полисахарид с достаточно сложной молекулярной структурой. Преимущественно главную цепь полимера-пектина составляют остатки этерифицированной (с группами COOCH3) и неэтерифицированной (с группами COOH) D-галактуроновой кислоты, однако, как в основной цепи полимера, так и в боковых группах могут встречаться остатки других сахаров, и не только их. Карбоксильные группы СООН D-галактуроновой кислоты в воде диссоциируют, теряя ион водорода и образуя заряженный фрагмент СОО—, связанный с общей полимерной цепью. Формирование на одной цепи большого количества одноименно заряженных атомных группировок приводит к тому, что они отталкиваются друг от друга, молекула пектина распрямляется, увеличивая свой объем, а соседние нити пектина отталкиваются друг от друга.
Наиболее важным свойством пектина является то, что в определенных условиях он может принимать трехмерную структуру – ту самую, которая не дает повидлу, намазанному на хлеб, растекаться. Однако пектин является не единственным важным компонентом повидла или джема – для их изготовления нам также нужны сахар и кислота.
При относительно высокой кислотности депротонирование карбоксильной группы СООН подавляется, поэтому, хотя нити пектина и распрямляются, их взаимное отталкивание не происходит. В большинстве фруктов и ягод содержания кислоты вполне хватает для такого подавления депротонирования, однако при приготовлении джемов и повидла из некоторых особо сладких сортов плодоягодного сырья рецептура требует незначительных добавок лимонной кислоты или лимонного сока. Молекула пектина также весьма гидрофильна (водолюбива или просто – охотно связывается с водой), поэтому отдельные молекулы пектина «обволакиваются» оболочкой из молекул воды. При наличии в растворе помимо пектина еще и сахара, который также «водолюбив», часть молекул воды связывается именно с сахаром, а не с пектином, что позволяет нитям пектина сблизиться и взаимодействовать друг с другом. Возможность такого сближения наряду с неполным депротонированием групп СООН приводит к тому, что отдельные нити пектина сближаются и образуют трехмерную сеть молекулярную, внутри которой оказываются и меньшие по размеру молекулы сахара и воды.
