Bezpłatny fragment - Historia polimerów

Część I: Polimery Natury — Fundamenty Życia i Cywilizacji

Rozdział 1: Biopolimery jako podstawa biosfery

W poszukiwaniu nici Ariadny

Gdybyśmy mogli cofnąć się w czasie o jakieś cztery miliardy lat i stanąć na bezludnej, wulkanicznej planecie, którą dopiero miano nazwać Ziemią, naszym oczom ukazałby się widok zarówno przytłaczający, jak i głęboko rozczarowujący. Nie byłoby ani śladu zieleni, żaden owad nie brzęczałby w rozgrzanym powietrzu, żadne stworzenie nie kryłoby się w cieniu skał. Byłoby to miejsce tak jałowe, tak całkowicie pozbawione życia, że trudno nam sobie wyobrazić, iż jest to ta sama planeta, na której dziś toczy się nasza codzienna egzystencja. A jednak gdzieś w tej pierwotnej zupie, w ciepłych kałużach oceanów, wśród uderzeń piorunów i promieniowania ultrafioletowego, zaczynała się dziać rzecz niezwykła. Powstawały pierwsze, nieśmiałe jeszcze, przypadkowe połączenia atomów węgla, wodoru, tlenu i azotu. I choć nikt tego wówczas nie rejestrował, była to chwila, od której wszystko się zaczęło. Bo to właśnie tam, w tym chemicznym chaosie, narodziła się idea łańcucha.

Kiedy niemiecki chemik Hermann Staudinger w latach dwudziestych XX wieku walczył o uznanie swojego rewolucyjnego poglądu, że istnieją cząsteczki o gigantycznych rozmiarach, zbudowane jak długie, cienkie łańcuchy, niewielu zdawało sobie sprawę, że ów spór sięga znacznie głębiej niż tylko do akademickich dysput. Staudinger, którego nazwisko na trwałe zapisało się w historii nauki, tak naprawdę zmuszał świat do przyjęcia do wiadomości, że życie samo w sobie opiera się na tym samym pomyśle. Zanim jeszcze człowiek nauczył się wytwarzać nylon, bakelit czy polietylen, natura przez miliardy lat doskonaliła swoją własną, niezwykle wyrafinowaną technologię polimerową. To, co dziś nazywamy biopolimerami, stanowi nie tylko budulec naszych ciał, ale również język, w którym zapisana jest nasza tożsamość, pamięć ewolucyjna i codzienny metabolizm. To właśnie one są fundamentem biosfery.

Gdy patrzymy na majestatyczny dąb, sięgający koroną ku niebu, rzadko myślimy o tym, że jego potęga opiera się na niezwykle prostym, a zarazem genialnym pomyśle. Celuloza, bo o niej mowa, jest najpowszechniej występującym polimerem organicznym na Ziemi. Biolodzy szacują, że każdego roku rośliny produkują jej około stu miliardów ton. Gdybyśmy chcieli to sobie jakoś wyobrazić, musielibyśmy pomyśleć o górze wysokiej na kilkadziesiąt kilometrów, sięgającej daleko poza stratosferę. Celuloza to polimer zbudowany z połączonych ze sobą cząsteczek glukozy, ale sposób tego połączenia ma kluczowe znaczenie. Glukoza, jak pamiętamy z lekcji biologii, jest podstawowym paliwem naszego organizmu. Kiedy jemy cukier, nasze komórki spalają go, by pozyskać energię. Jednak w celulozie te same cząsteczki glukozy połączone są w taki sposób, że żadne zwierzę, z nami włącznie, nie jest w stanie ich strawić bez pomocy wyspecjalizowanych bakterii.

Istnieje anegdota, która krąży w środowisku biochemików, opowiadająca o pewnym studentce, która podczas egzaminu z biochemii, zapytana o różnicę między skrobią a celulozą, odpowiedziała z rozbrajającą szczerością: „Skrobię jemy my, celulozę jedzą krowy, ale to my jemy krowy, więc ostatecznie i tak jemy celulozę”. Profesor podobno nie wiedział, czy się śmiać, czy płakać, ale w swojej logice studentka miała sporo racji. Celuloza jest bowiem nie tylko budulcem, ale również ogniwem w łańcuchu pokarmowym. To ona nadaje drewnu jego wytrzymałość, to ona sprawia, że łodygi roślin stoją wyprostowane, to ona wreszcie, w postaci bawełny, od tysiącleci okrywa nasze ciała.

W laboratorium, w którym przed laty pracowałem jako młody adiunkt, mieliśmy kolekcję różnych polimerów. Pewnego dnia przyszedł do nas starszy pan, emerytowany inżynier włókiennictwa, który chciał zobaczyć „prawdziwą celulozę pod mikroskopem”. Kiedy patrzył przez okular, jego twarz rozjaśniła się w uśmiechu. „Widzi pan,” powiedział do mnie, „ja całe życie pracowałem z bawełną, ale nigdy nie widziałem jej takiej. To jest jak las, prawda? Tysiące maleńkich drzewek, splecionych ze sobą.” I rzeczywiście, w skali mikroskopowej celuloza tworzy skomplikowaną, trójwymiarową sieć włókien, która jest jednocześnie delikatna i niezwykle wytrzymała.

Przechodząc od roślin do zwierząt, natrafiamy na inny fascynujący biopolimer — chitynę. Gdyby celuloza jest królestwem roślin, chityna panuje niepodzielnie w świecie stawonogów. Wszystkie te stworzenia, które pełzają, biegają, latają i gryzą nas podczas letnich wieczorów, noszą na sobie pancerze zbudowane właśnie z chityny. Jest to polimer niezwykle podobny do celulozy, ale z jednym, kluczowym dodatkiem — grupą zawierającą azot. To właśnie ta niewielka chemiczna modyfikacja sprawia, że chityna jest twardsza, bardziej odporna i trudniejsza do rozłożenia.

W muzeum historii naturalnej w Londynie znajduje się niezwykły eksponat — krab olbrzymi z wód japońskich. Jego odnóża mają rozpiętość prawie czterech metrów. Stojąc przed tą ogromną, brunatno-czerwoną skorupą, trudno oprzeć się wrażeniu, że patrzy się na żywy skamieniały okaz. A jednak to, co widzimy, to niemal czysta chityna, wzmocniona dodatkowo solami wapnia. Ten materiał jest tak wytrzymały, że stanowił inspirację dla twórców nowoczesnych kompozytów używanych w lotnictwie. Kiedy w latach dziewięćdziesiątych XX wieku naukowcy z MIT pracowali nad nowymi materiałami do budowy kadłubów samolotów, spędzili wiele godzin, badając właśnie strukturę pancerzy krabów i homarów. Odkryli, że natura stosuje tam niezwykle inteligentny system warstw i spiralnych ułożeń włókien, który doskonale rozprasza energię uderzenia. Czasem najlepszym inżynierem okazuje się ślepa ewolucja.

Z celulozą i chityną wiąże się również pewna osobliwa historia z czasów II wojny światowej. Otóż w obliczu niedoborów bawełny, niezbędnej do produkcji opatrunków i mundurów, Niemcy zaczęli eksperymentować z wykorzystaniem chityny do produkcji sztucznych nici chirurgicznych. Okazało się, że chityna ma niezwykłą właściwość — jest biodegradowalna w organizmie człowieka, a przy tym nie wywołuje reakcji alergicznych. To, co wtedy było wojennym eksperymentem, dziś stanowi podstawę nowoczesnej chirurgii. Nici z chitozanu, pochodnej chityny, są powszechnie używane do zszywania ran wewnętrznych. Rozpuszczają się same, gdy rana się zagoi, oszczędzając pacjentowi kolejnego zabiegu.

Kiedy jednak myślimy o biopolimerach w kontekście naszego własnego ciała, pierwszym skojarzeniem są białka. To one stanowią około piętnastu procent naszej masy ciała, nie licząc wody. Są zarówno budulcem, jak i maszynerią, która napędza wszystkie procesy życiowe. Weźmy choćby keratynę — białko, z którego zbudowane są nasze włosy, paznokcie, a u innych zwierząt także rogi, kopyta i pióra. Jest to materiał niezwykle wytrzymały, a przy tym elastyczny. Włosy, mimo że są tak cienkie, mogą wytrzymać obciążenie nawet do stu gramów. Matematyk z uniwersytetu w Cambridge, nieco znudzony wykładami z analizy matematycznej, obliczył kiedyś, że gdyby wszystkie włosy na głowie przeciętnego człowieka spleść w jeden gruby warkocz, utrzymałby on ciężar dwóch dorosłych słoni afrykańskich. Oczywiście, nikt nie zamierza tego eksperymentu przeprowadzać w praktyce, ale sama myśl jest zastanawiająca.

Keratynowe włosy mają jeszcze jedną, niezwykłą właściwość — mogą zmieniać swój kształt pod wpływem wilgoci i ciepła. Każda kobieta, która choć raz prostowała włosy żelazkiem, korzysta z tego zjawiska, nawet o tym nie wiedząc. Pod wpływem wysokiej temperatury wiązania wodorowe w keratynie ulegają rozerwaniu, a łańcuchy białkowe mogą się przesuwać względem siebie. Kiedy włosy stygną, tworzą się nowe wiązania, utrwalając nadany im kształt. To samo zjawisko, tylko w wersji naturalnej, odpowiada za niesforne loki w wilgotny dzień. Cząsteczki wody wnikają między łańcuchy keratyny, osłabiając wiązania i pozwalając włosom wrócić do swojego pierwotnego, „naturalnego” układu.

Koledze z wydziału chemii fizycznej zdarzyło się kiedyś podczas konferencji naukowej wygłosić prelekcję na temat mechanicznych właściwości keratyny, ilustrując ją slajdami z własnymi, dość już posiwiałymi włosami. Po wykładzie podeszła do niego starsza pani, emerytowana biolożka, i powiedziała: „Panie profesorze, to fascynujące, co pan mówił o tych wiązaniach wodorowych. Ale ja przez całe życie układałam włosy, używając tylko grzebienia i odrobiny wody. I zawsze wychodziły tak, jak chciałam. Proszę mi powiedzieć — czy ja byłam chemiczką, nie wiedząc o tym?” Kolega, z właściwą sobie swadą, odparł: „Proszę pani, gotowanie jajka też jest chemią, ale nikt nie nazywa się przez to chemikiem. Pani po prostu, jak przystało na biologa, stosowała sprawdzone metody in vivo”.

Innym fascynującym białkiem, bez którego nie moglibyśmy istnieć, jest kolagen. Stanowi on około jednej trzeciej wszystkich białek w naszym organizmie. To on buduje ścięgna, więzadła, skórę, kości, rogówkę oka. Jest to białko o niezwykle regularnej strukturze — trzy łańcuchy polipeptydowe skręcone w potrójną helisę, przypominającą linę. Ta struktura daje kolagenowi ogromną wytrzymałość na rozciąganie. Ścięgno Achillesa, zbudowane głównie z kolagenu, może wytrzymać obciążenie kilkuset kilogramów, zanim ulegnie zerwaniu.

W średniowieczu, na długo przed tym, zanim ktokolwiek słyszał o białkach czy polimerach, europejscy introligatorzy odkryli, że gotując skóry zwierzęce, otrzymują klej, który doskonale wiąże karty książek. Nie wiedzieli, że to kolagen ulega hydrolizie, tworząc żelatynę. Przechowywali tę wiedzę jako tajemnicę cechową, przekazywaną z ojca na syna. Dziś wiemy, że wiele starożytnych ksiąg zawdzięcza swoje przetrwanie właśnie kolagenowi. Gdyby nie ten biopolimer, średniowieczne manuskrypty rozpadłyby się dawno temu w proch.

Najbardziej jednak intrygującym białkiem, przynajmniej z mojego punktu widzenia, jest fibroina jedwabiu. Jedwab, ten luksusowy materiał, od wieków kojarzony z bogactwem i elegancją, jest czystym produktem natury. Produkują go gąsienice jedwabnika morwowego, zwijając się w kokon, by przepoczwarczyć się w motyla. Gdybyśmy mogli zajrzeć do wnętrza takiej gąsienicy, zobaczylibyśmy niezwykły proces. Otóż w jej ciele znajdują się dwa gruczoły, w których produkowane jest białko fibroiny. Białko to jest gęstą, lepką cieczą. Kiedy gąsienica jest gotowa do budowy kokonu, przepycha tę ciecz przez maleńki otwór w głowie — tzw. przędną. Po drodze fibroina miesza się z drugim białkiem — serycyną, która pełni rolę kleju. W kontakcie z powietrzem mieszanina tężeje, tworząc jedwabną nić.

Przez wieki ludzie myśleli, że jedwab jest po prostu cienką nicią, którą gąsienica wydziela z ust. Dopiero w XX wieku, pod mikroskopem elektronowym, odkryto jego prawdziwą strukturę. Okazało się, że jedna nić jedwabiu składa się z tysięcy jeszcze cieńszych włókienek, ułożonych równolegle do siebie. Ta hierarchiczna struktura sprawia, że jedwab jest nie tylko delikatny i miły w dotyku, ale też zaskakująco wytrzymały. Nici pajęcze, które też są formą jedwabiu, choć produkowaną przez pająki, mają wytrzymałość na rozciąganie przewyższającą stal. Gdybyśmy potrafili tkać pajęczy jedwab w takiej skali, w jakiej produkujemy stal, mielibyśmy materiał idealny do budowy mostów i wieżowców.

Znam historię pewnego entomologa z uniwersytetu w Würzburgu, który przez lata badał pajęczyny. Pewnego razu, podczas wykładu dla studentów biologii, przyniósł ze sobą kawałek pajęczyny zebranej w ogrodzie botanicznym. Rozpiął ją na szklanej ramce i zaczął opowiadać o jej właściwościach. W pewnym momencie, chcąc zademonstrować wytrzymałość, położył na pajęczynie mały klucz. Ku zaskoczeniu wszystkich, klucz nie spadł. Pajęczyna wytrzymała jego ciężar. „Widzicie państwo,” powiedział wtedy, „ta delikatna, niemal niewidoczna sieć jest w stanie utrzymać przedmiot wielokrotnie od siebie cięższy. Gdybyśmy potrafili tkać takie sieci na masową skalę, stalownie mogłyby zbankrutować”. Niestety, hodowla pająków na skalę przemysłową jest niemożliwa — pająki są terytorialne i zjadają się nawzajem. Dlatego naukowcy uczą się dziś produkować sztuczny pajęczy jedwab, wykorzystując do tego celu bakterie, drożdże, a nawet kozy, do których DNA wprowadza się geny pająków. To brzmi jak science fiction, ale to już się dzieje. W laboratoriach w Utah i w Heidelbergu takie transgeniczne kozy produkują w swoim mleku białko pajęczego jedwabiu.

Wszystkie te biopolimery — celuloza, chityna, keratyna, kolagen, fibroina — są niezwykle ważne, ale to nie one stanowią o istocie życia w tym sensie, w jakim zwykle o nim myślimy. Prawdziwym cudem są dwa inne polimery, tak małe, że nie widać ich pod zwykłym mikroskopem, a tak potężne, że zawierają w sobie instrukcję budowy całego organizmu. Mowa oczywiście o kwasach nukleinowych — DNA i RNA.

Kiedy w 1953 roku James Watson i Francis Crick wpadli do pubu Eagle w Cambridge i ogłosili, że „odkryli tajemnicę życia”, nie byli do końca precyzyjni. To, co odkryli, to struktura DNA — podwójna helisa, która od razu zasugerowała, w jaki sposób ta cząsteczka może być kopiowana i przekazywać informację. Ale sam fakt, że DNA jest polimerem, był wtedy już znany od lat. To zasługa szwajcarskiego biochemika Friedricha Mieschera, który w 1869 roku, badając komórki ropy, wyizolował nieznaną dotąd substancję bogatą w fosfor. Nazwał ją „nukleiną”, bo pochodziła z jądra komórkowego. Miescher nie miał pojęcia, co jego odkrycie oznacza. Podejrzewał, że to jakiś magazyn fosforu dla organizmu. Nie mógł przewidzieć, że trzyma w rękach klucz do zrozumienia dziedziczności.

Gdybyśmy chcieli opisać DNA w kategoriach polimerowych, musielibyśmy powiedzieć, że jest to kopolimer, zbudowany z czterech różnych monomerów — nukleotydów oznaczanych literami A, T, G, C. To, co odróżnia DNA od wszystkich innych polimerów, to fakt, że sekwencja tych monomerów nie jest przypadkowa. Niesie ona ze sobą informację, tak jak ciąg liter w tym zdaniu niesie ze sobą znaczenie. Gdybyśmy zmienili kolejność liter w poprzednim zdaniu, straciłoby ono sens. Gdybyśmy zmienili kolejność nukleotydów w genie, powstałoby inne białko, a to mogłoby oznaczać chorobę, a nawet śmierć organizmu.

Pamiętam rozmowę z pewnym filozofem nauki, który zarzucił mi kiedyś, że chemicy zbyt mechanistycznie podchodzą do życia. „Dla was,” mówił, „człowiek to tylko worek polimerów. Białka, cukry, kwasy nukleinowe. Gdzie w tym wszystkim jest dusza? Gdzie jest świadomość?” Odpowiedziałem mu wtedy: „Proszę pana, czy fakt, że Symfonia Beethovenowska jest tylko ciągiem nut ułożonych w odpowiedniej kolejności, umniejsza jej wartość? Czy fakt, że »Pan Tadeusz« to tylko układ liter na papierze, sprawia, że nie warto go czytać? My, chemicy, nie twierdzimy, że życie jest tylko polimerami. My twierdzimy, że bez tych polimerów nie byłoby żadnego »życia«, o którym moglibyśmy dyskutować. To one są materią, w której duch, jeśli pan woli, może się wyrazić”.

DNA jest jak bibliotekarz, który przechowuje księgi, ale sam ich nie czyta. Do odczytania informacji potrzebny jest drugi polimer — RNA. To on przepisuje fragmenty DNA i przenosi je do fabryk białek — rybosomów, gdzie na podstawie tej informacji składane są aminokwasy w łańcuchy polipeptydowe. Ten proces — od DNA przez RNA do białka — jest tak fundamentalny dla życia, że biolodzy nazywają go „centralnym dogmatem biologii molekularnej”. To niezwykłe, że cała różnorodność życia na Ziemi, od bakterii po wieloryby, od muchomora po sekwoję, opiera się na tym samym, prostym pomyśle: informacja zapisana w polimerze jest odczytywana i tłumaczona na inny polimer, który pełni funkcje strukturalne lub enzymatyczne.

Kiedy w latach osiemdziesiątych XX wieku rozpoczęto projekt poznania ludzkiego genomu, naukowcy stanęli przed zadaniem niebywałej skali. Chodziło o odczytanie sekwencji trzech miliardów par nukleotydów. Gdyby wydrukować tę sekwencję w książkach formatu encyklopedii, zajęłaby całą ścianę od podłogi do sufitu w przeciętnym mieszkaniu. A jednak ta gigantyczna biblioteka mieści się w jądrze każdej naszej komórki, w cząsteczce DNA, która po rozwinięciu miałaby około dwóch metrów długości. To tak, jakby upchnąć dwukilometrową nić w orzechu włoskim.

Ewolucja, ta ślepa siła napędowa, doskonale zdawała sobie sprawę z zalet polimerów. Wybrała je nieprzypadkowo. Po pierwsze, łańcuchowa struktura pozwala na osiągnięcie ogromnej różnorodności przy użyciu ograniczonej liczby prostych elementów. Z kilku aminokwasów można zbudować miliony różnych białek, tak jak z kilkudziesięciu liter można ułożyć nieskończoną liczbę zdań. Po drugie, łańcuchy są wytrzymałe, a jednocześnie podatne na modyfikacje. Można je ciąć, sklejać, skręcać, tworzyć z nich sieci. Po trzecie wreszcie — i to chyba najważniejsze — łańcuchy mogą przenosić informację. Sekwencja ogniw w łańcuchu jest jak alfabet, w którym zapisano instrukcję budowy i funkcjonowania organizmu.

Zastanawialiście się kiedyś, dlaczego jedwabnik produkuje jedwab, a krowa w tym samym czasie trawi trawę? Odpowiedź tkwi w polimerach. Jedwabnik ma w swoim DNA geny kodujące białko fibroiny. Krowa ma geny kodujące enzymy trawiące celulozę (za pośrednictwem bakterii, ale to już inna historia). To właśnie polimery, te długie, cienkie łańcuchy atomów, są architektami życia. One decydują o tym, jak wyglądamy, co jemy, jak się poruszamy i jak myślimy. Nawet nasze wspomnienia, nasze emocje, nasze „ja” — wszystko to ma swoje fizyczne podłoże w sieciach połączeń między neuronami, które same zbudowane są z polimerów i komunikują się za pomocą polimerowych przekaźników.

Czy zatem Hermann Staudinger, kiedy w 1953 roku odbierał Nagrodę Nobla, zdawał sobie sprawę, że jego walka o uznanie makrocząsteczek toczyła się nie tylko o suchą, akademicką prawdę, ale o zrozumienie samej istoty życia? Sądzę, że tak. W swoim wykładzie noblowskim mówił o tym, że „życie jest zjawiskiem chemicznym”, a jego materialnym podłożem są właśnie te gigantyczne cząsteczki. Nie wszyscy mu wtedy wierzyli. Dziś, siedemdziesiąt lat później, wiemy, że miał rację. Jesteśmy chodzącymi, myślącymi, kochającymi i cierpiącymi polimerami. I nie ma w tym stwierdzeniu ani krztyny cynizmu. Jest w nim za to ogromny podziw dla natury, która z tak prostych składników potrafiła zbudować tak niezwykły, złożony i piękny świat.

Kiedy kończę ten rozdział, spoglądam przez okno na stary dąb rosnący w parku naprzeciwko mojego domu. Widzę jego potężny pień, konary wyciągnięte ku słońcu, liście szeleszczące na wietrze. I myślę sobie: to wszystko celuloza. Ten dąb, który stoi tu od dwustu lat, który widział powstanie i upadek imperiów, który przetrwał wojny i rewolucje, jest zbudowany z tego samego materiału, z którego zrobiona jest kartka papieru, na której piszę te słowa. A przecież jest czymś więcej. Jest żywy, oddycha, rośnie, rozmnaża się. I to „więcej” bierze się właśnie z polimerów — z DNA w każdej jego komórce, z białek w każdym jego liściu. To fascynujące, że coś tak niezwykłego jak życie opiera się na tak prostej, a zarazem genialnej zasadzie: budowania długich łańcuchów z krótkich ogniw. To architektura łańcuchów, która stanowi fundament biosfery. I to od niej zaczyna się nasza opowieść.

Rozdział 2: Intuicyjna technologia polimerowa starożytności

Gdy rzemiosło wyprzedzało naukę o tysiąclecia

Zanim człowiek nauczył się pisać, zanim wzniósł pierwsze piramidy, zanim jakikolwiek filozof zadał pytanie o naturę bytu, istniała już chemia polimerów. Nie nazywano jej oczywiście tym mianem, nie zapisywano w księgach, nie nauczano na uniwersytetach. Była to wiedza czysto praktyczna, przekazywana z pokolenia na pokolenie szeptem przy ogniskach, pilnie strzeżona tajemnica rodów i cechów. Była to technologia intuicyjna, wyrosła z uważnej obserwacji natury i cierpliwego eksperymentowania metodą prób i błędów. I choć jej twórcy nie mieli pojęcia o istnieniu makrocząsteczek, łańcuchów polimerowych czy wiązań poprzecznych, potrafili dokonywać rzeczy, które do dziś wprawiają w osłupienie chemików i inżynierów materiałowych.

Gdy w latach dziewięćdziesiątych XX wieku amerykańscy archeolodzy natrafili w Meksyku na doskonale zachowane piłki gumowe sprzed trzech i pół tysiąca lat, przez długi czas nie mogli pojąć, jak to możliwe, by kauczuk naturalny przetrwał tak długo, nie tracąc swoich elastycznych właściwości. W końcu guma, jaką znali z codziennego doświadczenia, starzeje się, pęka, kruszeje. A te piłki — choć wiekowe — wciąż sprężynowały, gdy rzucono je o podłogę laboratorium. Rozwiązanie zagadki przyszło dopiero wtedy, gdy zespół chemików z Massachusetts Institute of Technology poddał je szczegółowej analizie. Okazało się, że starożytni Olmekowie, a później Majowie i Aztekowie, posiedli tajemnicę, którą świat zachodni miał odkryć na nowo dopiero w 1839 roku za sprawą Charlesa Goodyeara. Potrafili wulkanizować kauczuk.

Różnica polegała na tym, że Goodyear używał siarki i wysokiej temperatury, podczas gdy Mezoamerykanie stosowali sok z pnącza wilca (Ipomoea alba), rośliny pospolitej w tamtych rejonach. Mieszali mleczko kauczukowe z sokiem wilca w odpowiednich proporcjach, a następnie podgrzewali całość nad ogniem. Powstawał materiał o właściwościach zależnych od proporcji składników. Gdy chcieli uzyskać twardą, sztywną masę na podeszwy sandałów, dodawali więcej soku wilca. Gdy potrzebowali sprężystego, elastycznego tworzywa na piłki, zmniejszali jego ilość. To była inżynieria materiałowa w najczystszej postaci, choć uprawiana przez ludzi, którzy wierzyli, że kauczuk jest krwią drzew, a wilec darem bogów.

Kiedy po raz pierwszy przeczytałem o tych badaniach, pomyślałem o moim starym profesorze od chemii fizycznej, który lubił powtarzać, że „nauka to sztuka zadawania pytań przyrodzie i rozumienia jej odpowiedzi”. Olmekowie nie potrafiliby zapewne sformułować pytania w języku współczesnej chemii, ale doskonale rozumieli odpowiedzi, jakich udzielała im natura. Wiedzieli, że jeśli zmieszają lateks z sokiem wilca w stosunku mniej więcej dwa do jednego, otrzymają masę idealną na piłkę do rytualnej gry w ullamaliztli. Wiedzieli też, że czas podgrzewania ma znaczenie. Za krótko — guma będzie zbyt lepka. Za długo — straci sprężystość. To była wiedza empiryczna gromadzona przez pokolenia, zapisywana nie w zwojach papirusu, lecz w pamięci mistrzów przekazujących swój kunszt uczniom.

Hiszpańscy konkwistadorzy, którzy w XVI wieku po raz pierwszy zetknęli się z tymi dziwnymi, skaczącymi piłkami, nie potrafili docenić kunsztu ich twórców. Bernal Díaz del Castillo, towarzysz Hernána Cortésa, zanotował w swoich pamiętnikach zdumienie na widok gry, w której „piłka odbijała się i skakała tak żywo, że nie sposób było nadążyć za nią wzrokiem”. Nie zastanawiał się jednak, jakim cudem gumowa kula zachowuje sprężystość przez całe godziny gry. Dla niego był to po prostu kolejny przejaw egzotycznej odmienności Nowego Świata. A przecież trzymał w rękach dowód na to, że cywilizacja, którą przyszli podbić i zniszczyć, dysponowała technologią, do której Europa miała dopiero dojrzeć za trzysta lat.

Przenieśmy się jednak na drugą stronę globu, na Bliski Wschód, skąd pochodzi inna, równie fascynująca opowieść o intuicyjnej technologii polimerowej. Asfalt, znany również jako bitum, to naturalnie występująca mieszanina węglowodorów, którą nasi przodkowie odkryli prawdopodobnie równie dawno, jak nauczyli się rozniecać ogień. W Mezopotamii, krainie między Tygrysem a Eufratem, gdzie kamień budowlany był towarem deficytowym, asfalt stał się materiałem wręcz strategicznym. To nim uszczelniano kosze z trzciny, w których pływano po rzekach. To nim spajano cegły w murach Babilonu. To nim wreszcie pokrywano wnętrza kanałów irygacyjnych, by woda nie przesiąkała w suchy, spragniony piasek.

Archeolog pracujący w Ur natrafił kiedyś na inskrypcję klinową, która okazała się być swoistą „instrukcją obsługi” asfaltu. Starożytny autor, prawdopodobnie nadzorca robót budowlanych, skrupulatnie notował, w jakich proporcjach mieszać bitum z sieczką, piaskiem i tłuczniem, by uzyskać masę o odpowiedniej konsystencji i wytrzymałości. Do dziś zachowały się fragmenty ulic w Babilonie, gdzie asfaltową zaprawą spojono płyty kamienne. Przez tysiące lat deptali po nich mieszkańcy miasta, targali towary osły, toczyły się rydwany królów. A asfalt trzymał się dzielnie, nie kruszejąc, nie pękając, nie tracąc swych właściwości. Gdyby jakiś chemik sprzed stu lat mógł pobiec próbkę tej zaprawy i zbadać ją w laboratorium, ze zdumieniem stwierdziłby, że starożytni Mezopotamczycy instynktownie dobierali kompozycję tak, by zoptymalizować właściwości reologiczne mieszanki. Nie znali pojęcia lepkości, modułu Younga czy naprężeń ścinających, ale wiedzieli, że zbyt dużo piasku daje masę kruchą, a zbyt mało — zbyt plastyczną.

Kiedy jako student pierwszy raz usłyszałem o tych mezopotamskich praktykach, przyszła mi do głowy refleksja, którą podzieliłem się z moim wykładowcą. „To fascynujące”, powiedziałem, „że oni potrafili tworzyć materiały kompozytowe na długo przed tym, zanim ktokolwiek pomyślał o ich teoretycznym opisaniu”. Profesor spojrzał na mnie znać okularów i odparł sucho: „Młody człowieku, to, że nie umieli tego opisać, nie znaczy, że nie rozumieli. Rozumieli na swój sposób — poprzez ręce, poprzez dotyk, poprzez wieloletnie doświadczenie. Dziś myślimy, że rozumienie to wzory i równania. A oni wiedzieli, że ta konkretna mieszanka, z tej konkretnej żyły bitumu, z dodatkiem piasku znad Eufratu, będzie służyć przez pokolenia. I mieli rację, bo ich budowle stoją do dziś, podczas gdy niejedna nasza, opisana najpiękniejszymi wzorami, rozpadła się po dwudziestu latach”.

Równie stara jak obróbka kauczuku i asfaltu jest technologia garbowania skór. Zanim człowiek nauczył się tkać tkaniny, okrywał się skórami upolowanych zwierząt. Szybko jednak musiał zauważyć, że surowa skóra, choć ciepła i wytrzymała, ma jedną zasadniczą wadę — gnije. W wilgotnym klimacie, przy dłuższym użytkowaniu, zaczynała wydzielać nieprzyjemny zapach, twardniała, pękała, w końcu rozpadała się na kawałki. Problem był poważny, bo od niego zależało przetrwanie w trudnych warunkach. I znów natura podsunęła rozwiązanie, a człowiek okazał się na tyle spostrzegawczy, by je dostrzec i wykorzystać.

Najstarsze metody garbowania były zaskakująco proste, a zarazem skuteczne. Wystarczyło natrzeć skórę tłuszczem zwierzęcym, najlepiej mózgowym, i wystawić na działanie dymu z ogniska. Tłuszcz wnikając między włókna kolagenu, wypierał wodę i tworzył barierę ochronną. Dym zawierał związki fenolowe, które dodatkowo konserwowały białko i nadawały skórze charakterystyczny, brązowawy odcień. Metoda ta, zwana garbowaniem tłuszczowym, przetrwała tysiąclecia i była stosowana przez ludy pierwotne na wszystkich kontynentach.

Z czasem odkryto skuteczniejsze metody. W starożytnym Egipcie stosowano wapno gaszone do usuwania sierści, a następnie zanurzano skóry w kąpielach z kory akacji, bogatej w garbniki roślinne. W Europie podstawowym surowcem garbarskim stała się kora dębu. Proces nazywano dębieniem i trwał on od kilku tygodni do nawet kilku miesięcy. Skóry układano w dołach warstwami, przesypując zmieloną korą i zalewając wodą. Co jakiś czas przenoszono je do nowych dołów, ze świeżą korą i świeżą wodą, stopniowo zwiększając stężenie garbników. To była praca żmudna, brudna, cuchnąca, ale jej efekt był zdumiewający. Skóra po takiej obróbce nabierała niezwykłej trwałości, odporności na wilgoć i elastyczności. Mogła służyć przez dziesięciolecia.

W średniowieczu garbarze stanowili odrębną grupę zawodową, otoczoną tajemnicą i często izolowaną od reszty społeczności. Nie bez powodu ich warsztaty lokowano na obrzeżach miast, nad rzekami, by smród gnijących skór i wapna nie zatruwał życia mieszczanom. Ale ta izolacja miała też drugie dno — chroniła tajemnice zawodowe. Każdy garbarski ród miał swoje receptury, swoje proporcje, swoje sekrety. Wiedza przekazywana była z ojca na syna, a wtajemniczeni przysięgali milczenie.

Homer w Iliadzie pozostawił nam niezwykły opis procesu garbowania. W księdze siedemnastej czytamy: „Jak garbarz, namaściwszy tłuszczem skórę wołu, każe ją mnóstwu ludzi uchwycić pospołu: ci, gdy równo pociągną, wraz się skóra poci, a tłustość w nią wstępuje na miejsce wilgoci”. Ten fragment, choć powstał prawie trzy tysiące lat temu, jest zadziwiająco precyzyjny. Opisuje istotę garbowania tłuszczowego — zastąpienie wody w przestrzeniach między włóknami kolagenu tłuszczem, który nie ulega odparowaniu i nie stanowi pożywki dla bakterii. Homer nie był chemikiem, nie wiedział nic o białkach ani o wiązaniach wodorowych. A jednak potrafił jednym obrazem oddać sedno procesu, który chemicy opisali szczegółowo dopiero w XIX wieku.

Równolegle z garbarstwem rozwijała się inna gałąź intuicyjnej technologii polimerowej — obróbka włókien roślinnych. Len i konopie towarzyszą człowiekowi od zarania dziejów. Z ich włókien tkano płótna, wyplątano sieci, sznury, liny. Ale zanim len stał się tkaniną, musiał przejść długą i skomplikowaną drogę przetwarzania.

Gdy archeolodzy z Uniwersytetu Południowej Danii postanowili w 2010 roku odtworzyć w ramach eksperymentu historycznego koszulę z Viborga, pochodzącą z XI wieku, stanęli przed zadaniem niezwykle pouczającym. Postanowili przejść całą ścieżkę — od zasiania lnu, przez jego zbiór, obróbkę, przędzenie, tkanie, aż po uszycie koszuli. I to, co odkryli, było dla nich samych zaskakujące.

Okazało się bowiem, że len jest materiałem niezwykle kapryśnym. Żeby uzyskać włókno wysokiej jakości, trzeba go siać w odpowiednim zagęszczeniu, odpowiednio nawozić, ale nie przenawozić, bo wtedy włókno staje się grube i szorstkie. Trzeba go zebrać w odpowiednim momencie, nie za wcześnie, nie za późno. Potem wymoczyć lub wyrosić, by oddzielić włókna od zdrewniałej łodygi. Wysuszyć, ale nie przesuszyć. Zmiędlić, wytrzepać, wyczesać.

Samo międlenie, czyli łamanie zdrewniałej części łodygi, okazało się zadaniem żmudnym i wymagającym wprawy. Eksperymentatorzy z Danii używali drewnianych bijaków oraz międlic — narzędzi wzorowanych na średniowiecznych znaleziskach. Bijak okazał się tak nieefektywny, że po kilku próbach niemal z niego zrezygnowali. Międlica dawała lepsze rezultaty, ale i tak z 8 kilogramów słomy lnianej uzyskiwali zaledwie 2 kilogramy produktu nadającego się do dalszej obróbki. A potem przychodziło czesanie, które redukowało tę masę o kolejne połowę. Z pierwotnych 8 kilogramów słomy zostawało w końcu około 500 gramów delikatnego, czesanego lnu, z którego można było uprząść cienką, miękką nić.

A przędzenie to była osobna historia. Koszula z Viborga miała splot około 22 nici na centymetr. Żeby utkać taki materiał, potrzeba było ponad 10 kilometrów nici. Doświadczona prządka, pracująca na wrzecionie, była w stanie uprząść w ciągu godziny około 30 metrów nici. Proste obliczenia pokazują, że samo przędzenie nici na jedną koszulę zajmowało około 350 godzin. Do tego dochodziło tkanie na krośnie pionowym, które też trwało tygodniami. Gdy zsumowano cały czas pracy — od przygotowania pola do gotowej koszuli — okazało się, że jedna taka szata pochłaniała około tysiąca roboczogodzin. Tysiąca godzin ludzkiej pracy, skupienia, uwagi, kunsztu.

Kiedy przeczytałem raport z tego eksperymentu, przypomniała mi się rozmowa z pewnym historykiem gospodarki, który opowiadał o wartości tkanin w dawnych wiekach. „Dziś”, mówił, „myślimy, że tkanina to coś taniego, bo możemy kupić koszulę w supermarkecie za kilkadziesiąt złotych. W średniowieczu dobra koszula lniana była przedmiotem luksusowym, wartym tyle co krowa albo kilka owiec. I nie bez powodu — tysiąc godzin pracy jednej osoby to jest właśnie cena krowy”. To radykalnie zmienia perspektywę. Okazuje się, że rzeczy, które dziś uważamy za pospolite, banalne, w istocie kryją w sobie ogromny nakład ludzkiego wysiłku i umiejętności.

Obróbka wełny była nieco prostsza, ale też wymagała kunsztu. Owce strzyżono dwa razy do roku, wełnę prano, gręplowano, czyli rozczesywano, by wyrównać włókna. Potem przędziono na wrzecionie lub kole, tkano na krosnach, a na koniec folowano, czyli spilśniano, by tkanina zgęstniała i nabrała wodoodporności. Każdy z tych etapów był okazją do doskonalenia warsztatu, do wypracowania lokalnych tradycji, do tworzenia tkanin o unikalnych właściwościach i wzorach.

W średniowiecznej Polsce słynęły zwłaszcza tkaniny łowickie, z ich charakterystycznymi pasiakami, oraz dwuosnowowe tkaniny z Podlasia, gdzie wzór był taki sam po obu stronach. To wymagało niezwykłego kunsztu tkackiego, umiejętności planowania i cierpliwości. Każda taka tkanina była dziełem sztuki, choć jej twórczynie zapewne nie myślały o sobie w tych kategoriach. One po prostu wykonywały swoją pracę, najlepiej jak potrafiły, przekazując umiejętności córkom i wnuczkom.

Zastanawiając się nad tymi starożytnymi i średniowiecznymi technologiami, nie mogę oprzeć się refleksji, że ich twórcy byli w pewnym sensie szczęśliwsi od nas. Nie dręczyła ich potrzeba teoretycznego uzasadnienia, nie musieli publikować w prestiżowych czasopismach, nie zabiegali o granty na badania. Po prostu pracowali z materiałem, dzień po dniu, rok po roku, doskonaląc swój warsztat. Ich wiedza była zakorzeniona w dotyku, w zapachu, w wieloletnim doświadczeniu. Wiedzieli, że skóra jest gotowa, gdy po naciśnięciu palcem pozostawia ślad, ale nie pęka. Wiedzieli, że len jest dobrze wyczesany, gdy włókna są jedwabiste i układają się równo. Wiedzieli, że mieszanka kauczuku z sokiem wilca ma odpowiednią konsystencję, gdy po uformowaniu kulki odbija się od ziemi na wysokość kolana.

Czy to była wiedza gorsza od naszej? Inna — na pewno. Mniej precyzyjna w sensie laboratoryjnym — z pewnością. Ale czy mniej skuteczna? O tym niech świadczą zachowane do dziś przedmioty — gumowe piłki sprzed trzech tysięcy lat, asfaltowe posadzki z Babilonu, skórzane sandały egipskich faraonów, lniane koszule wikińskich wojowników. Ich twórcy nie znali pojęcia „polimer” ani „makrocząsteczka”. A jednak instynktownie pojmowali architekturę łańcuchów lepiej niż nie jeden współczesny student po pierwszym roku chemii.

Gdy patrzę na te osiągnięcia, myślę sobie, że może powinniśmy odzyskać nieco tej starożytnej pokory wobec materii. Może nie wszystko da się opisać wzorami i równaniami. Może istnieje wiedza, która przekazywana jest przez ręce, przez dotyk, przez wieloletnie obcowanie z materiałem. Może w naszym pędzie do precyzji i kontroli straciliśmy coś, co nasi przodkowie mieli w nadmiarze — umiejętność słuchania natury i rozumienia jej odpowiedzi. Bo ostatecznie to właśnie ta umiejętność pozwoliła im, tysiące lat przed narodzinami chemii polimerów, tworzyć materiały, które do dziś budzą nasz podziw i szacunek.

Rozdział 3: Starożytni mistrzowie polimerów

Od prehistorycznych wyrobów do wysoko rozwiniętych cywilizacji

W cieniu kamiennych głów

Gdy w 1862 roku meksykańscy chłopi natrafili w Tres Zapotes na potężną kamienną głowę, nikt nie przypuszczał, że odkrycie to rzuci nowe światło na dzieje technologii polimerowej. José María Melgar y Serrano, który pierwszy opisał to znalezisko, przez długi czas sądził, że ma do czynienia z rzeźbą etiopską — wydawało mu się bowiem nieprawdopodobne, by na długo przed Kolumbem w Mezoameryce mogła istnieć cywilizacja zdolna do stworzenia czegoś tak monumentalnego. Dziś wiemy, że głowy te, ważące nierzadko ponad dwadzieścia ton, wyrzeźbione z bazaltu sprowadzonego z gór oddalonych o setki kilometrów, są dziełem Olmeków — pierwszej wielkiej cywilizacji Meksyku, której sami twórcy pozostawili po sobie tak niewiele śladów, że nawet nie znamy ich prawdziwego imienia.

Olmekowie — nazwa, którą im nadali Aztekowie, a która w języku nahuatl oznacza właśnie „ludzi gumy” — okazali się być mistrzami w dziedzinie, o której jeszcze w połowie XIX wieku nikt nie miał pojęcia. Żyjąc na tropikalnych nizinach nad Zatoką Meksykańską, gdzieś pomiędzy 1600 a 350 rokiem przed naszą erą, opanowali sztukę, którą Europa miała odkryć na nowo dopiero w epoce rewolucji przemysłowej. Potrafili przekształcać mleczko drzewa kauczukowego w materiał o zadziwiająco zróżnicowanych właściwościach, w zależności od tego, do czego miał służyć.

Gdy w latach dziewięćdziesiątych XX wieku zespół amerykańskich archeologów pod kierownictwem Richarda Diehla z University of Missouri postanowił zbadać tajemnicę olmeckiego kauczuku, natrafili na dowód niezwykłej precyzji starożytnych rzemieślników. Analizując zachowane w bagnach El Manatí gumowe piłki sprzed ponad trzech tysięcy lat, odkryli, że Olmekowie stosowali coś, co dziś nazwalibyśmy inżynierią materiałową na poziomie molekularnym. Mieszali lateks z sokiem pnącza wilca (gatunek Ipomoea alba), który zawierał związki siarki. Podgrzewając tę mieszaninę, przeprowadzali proces chemiczny niemal identyczny z tym, który Charles Goodyear opatentował w 1844 roku jako wulkanizację. Różnica polegała tylko na tym, że Goodyear używał siarki elementarnej, a Olmekowie dostarczali ją w formie organicznej, zawartej w soku rośliny.

Kiedy po raz pierwszy usłyszałem o tych badaniach, przypomniała mi się rozmowa z pewnym historykiem techniki, który lubił powtarzać, że „nie ma nic nowego pod słońcem, są tylko rzeczy, które odkrywamy na nowo”. W tym przypadku było to szczególnie trafne. Olmekowie nie tylko wynaleźli wulkanizację na długo przed Goodyearem, ale potrafili także precyzyjnie kontrolować jej efekty. Gdy potrzebowali twardego, sztywnego materiału na podeszwy sandałów, dodawali więcej soku wilca. Gdy chcieli otrzymać sprężystą, elastyczną piłkę do rytualnych gier, zmniejszali jego proporcje. To była wiedza empiryczna, ale empiria doprowadzona do perfekcji, gromadzona przez pokolenia i skrzętnie ukrywana przed obcymi.

Gra o życie i śmierć

Gra w piłkę, którą Olmekowie zapoczątkowali, a którą później przejęli Majowie i Aztekowie, była czymś znacznie więcej niż rozrywką. Dla tych cywilizacji stanowiła ona odzwierciedlenie kosmicznego porządku, walki między siłami życia i śmierci, światła i ciemności. Majowie nazywali ją pitz, Aztekowie tlachtli lub ullamaliztli, a do dziś na niektórych obszarach Meksyku przetrwała jej odmiana zwana ulama. Boiska do tej gry, w kształcie litery I, odnajdywane są w każdym większym ośrodku ceremonialnym Mezoameryki. Najstarsze z nich pochodzą właśnie z okresu olmeckiego, sprzed około 3500 lat.

Profesor Jarosław Źrałka z Uniwersytetu Jagiellońskiego, który od lat prowadzi wykopaliska w Gwatemali, opowiadał mi kiedyś o swoim pierwszym zetknięciu z takim boiskiem. „Stałem na tym kamiennym placu w Nakum”, mówił, „i próbowałem wyobrazić sobie, co czuli gracze, wiedząc, że stawką może być ich życie. Dla nas sport to rozrywka, emocje, czasem chuligańskie wybryki kibiców. Dla nich był to akt sakralny, w którym przegrana mogła oznaczać śmierć, ale śmierć rozumianą jako ofiara dla bogów, jako coś szlachetnego i potrzebnego dla zachowania równowagi wszechświata”.

Same piłki, jakimi grano, były dziełem niezwykłego kunsztu. Wykonane z wulkanizowanego kauczuku, ważyły od dwóch do nawet pięciu kilogramów, a ich średnica dochodziła do pół metra. Odbijanie takiej piłki biodrami, bo tak właśnie grano w najbardziej popularnej odmianie tej gry, wymagało nie tylko niezwykłej sprawności fizycznej, ale i odpowiednich ochraniaczy. Na reliefach i rzeźbach widzimy graczy w skomplikowanych strojach ochronnych — skórzanych pasach na biodra, ochraniaczach na przedramiona i kolana. Ci, którzy grali dobrze, byli bohaterami. Ci, którzy przegrywali, mogli trafić pod topór ofiarnika.

Bernardino de Sahagún, franciszkański misjonarz, który w XVI wieku spisał szczegółowe relacje o kulturze Azteków, pozostawił nam opis gry, który do dziś mrozi krew w żyłach. „Kiedy kapitan przegranej drużyny zostawał poświęcony bogom”, pisał, „obcinano mu głowę, a jego ciało staczano po stopniach piramidy, uformowane w kształt piłki”. To makabryne świadectwo pokazuje, jak głęboko gra w piłkę była zakorzeniona w religijnych wierzeniach Mezoameryki. Była ona nie tylko sportem, ale i rytuałem, w którym odtwarzano mityczne wydarzenia opisane w Popol Vuh, świętej księdze Majów, gdzie dwaj bracia-bliźniacy pokonują władców podziemi w grze w piłkę, by następnie zmartwychwstać jako Słońce i Księżyc.

Bursztynowy szlak

Przenieśmy się teraz na drugi koniec świata, nad chłodne wody Bałtyku. Tu, gdzie dziś turyści zbierają bursztyny po sztormach, tysiące lat temu rozwinął się inny, równie fascynujący rozdział historii polimerów. Bursztyn, czyli skamieniała żywica drzew iglastych sprzed czterdziestu, a nawet pięćdziesięciu milionów lat, był jednym z pierwszych materiałów polimerowych, którymi posługiwał się człowiek.

Jego obróbka nie wymagała skomplikowanych procesów chemicznych — wystarczyło szlifowanie, polerowanie, wiercenie. Ale to, co czyni bursztyn wyjątkowym, to jego właściwości fizyczne i chemiczne. Jest lekki, ciepły w dotyku, elektryzuje się przy potarciu, a pod wpływem ciepła wydziela charakterystyczny, żywiczny zapach. Dla starożytnych ludów był materiałem magicznym, łączącym w sobie właściwości kamienia i rośliny, a przy tym często zawierającym inkluzje — uwięzione w żywicy owady, pajęczaki, fragmenty roślin, które postrzegano jako cud natury.

Już w neolicie, około 7000 lat temu, bursztyn bałtycki był przedmiotem dalekosiężnego handlu. Archeolodzy odnajdują go w grobach na Półwyspie Iberyjskim, we Włoszech, w Grecji, a nawet w Egipcie. Słynny szlak bursztynowy, łączący wybrzeża Bałtyku z cywilizacjami śródziemnomorskimi, funkcjonował na długo przed tym, zanim Rzymianie nadali mu nazwę „bursztyn” — od germańskiego „brinnan” (palić się), bo palił się pięknym, kopcącym płomieniem.

Gdy w 1880 roku niemiecki archeolog Hugo Conwentz usiłował odtworzyć techniki obróbki bursztynu stosowane w epoce kamienia, ze zdumieniem stwierdził, że nasi przodkowie potrafili nadawać mu kształty, które dla niego samego były nieosiągalne przy użyciu współczesnych narzędzi. „Wiercili w nim otwory cieńsze niż igła”, pisał w swoim pamiętniku, „używając do tego prawdopodobnie krzemiennych świdrów i piasku kwarcowego jako materiału ściernego. Każdy taki otwór to godziny, może nawet dni cierpliwej pracy. A przecież nie wiercili go dla ozdoby — przez te otwory przeciągali rzemienie, by nosić bursztynowe paciorki na szyi jako amulety chroniące przed złymi mocami”.

W antycznej Grecji bursztyn nosił nazwę elektron — od tego słowa pochodzi współczesne określenie elektryczności, bo Tales z Miletu około 600 roku przed naszą erą zaobserwował, że potarty bursztyn przyciąga drobne przedmioty. To pierwsze w historii odnotowane zjawisko elektrostatyczne, które przez kolejne dwa i pół tysiąca lat pozostawało zagadką, aż do czasów Bénjamina Franklina i Alessandro Volty.

Egipskie cuda z papirusu

Gdy myślimy o starożytnym Egipcie, przed oczyma stają nam piramidy, sfinksy, złote maski faraonów. Ale Egipt to także miejsce, gdzie rozwinęła się niezwykle zaawansowana technologia wytwarzania materiałów polimerowych z roślin. Papirus, który dał nazwę całej późniejszej produkcji papieru, jest doskonałym przykładem, jak natura dostarcza surowca, a człowiek poprzez odpowiednią obróbkę nadaje mu nowe, nieoczekiwane właściwości.

Łodygi cibory papirusowej, rośliny niegdyś powszechnej w delcie Nilu, cięto na cienkie paski, układano je warstwami krzyżującymi się pod kątem prostym, a następnie ubijano i prasowano pod ciężkimi kamieniami. Własny sok rośliny, zawierający naturalne polisacharydy, działał jak klej, łącząc warstwy w jednolitą, elastyczną i trwałą powierzchnię do pisania. Gotowy papirus był tak wytrzymały, że zachowane do dziś egzemplarze sprzed pięciu tysięcy lat wciąż można rozwijać i czytać, oczywiście z odpowiednią ostrożnością.

W Muzeum Egipskim w Berlinie znajduje się papirus, który zawsze robi na mnie ogromne wrażenie. To tzw. Papirus Westcar, zawierający zbiór opowieści o cudach dokonanych przez kapłanów i magów. Gdy patrzy się na te delikatne, żółtawe karty, zapisane hieratycznym pismem sprzed czterech tysięcy lat, trudno uwierzyć, że to w ogóle możliwe — że materiał organiczny, wytworzony przez człowieka z rośliny, może przetrwać tak długo. A jednak przetrwał, bo jego twórcy instynktownie pojęli coś, co my dziś nazywamy chemią polimerów: że odpowiednie ułożenie włókien i zastosowanie naturalnych spoiw może dać materiał o niezwykłej trwałości.

Papirus był towarem eksportowym Egiptu na cały antyczny świat. Grecy, Rzymianie, Fenicjanie — wszyscy kupowali egipski papirus, bo na nim właśnie zapisywali swoje najważniejsze teksty. Gdy w 1962 roku brytyjski historyk Eric Turner postanowił odtworzyć starożytną technologię jego produkcji, spędził nad tym zadaniem dwa lata, zanim udało mu się uzyskać arkusz choćby w przybliżeniu dorównujący jakością oryginałom z czasów faraonów. „Egipcjanie musieli mieć jakieś tajemnice, których nie zdołaliśmy odtworzyć”, pisał w swoim raporcie. „Może chodziło o dobór odpowiednich roślin, może o porę zbioru, może o sposób ubijania. W każdym razie to, co oni robili rutynowo, dla nas okazało się zadaniem niezwykle trudnym”.

Mezopotamskie kompozyty

W Mezopotamii, gdzie kamień był towarem deficytowym, a glina pod dostatkiem, rozwinęła się inna gałąź intuicyjnej technologii polimerowej — wytwarzanie materiałów kompozytowych z gliny wzmacnianej słomą. Cegła suszona, zwana po łacinie later, była podstawowym budulcem cywilizacji między Tygrysem a Eufratem. I choć mogłoby się wydawać, że to proste, prymitywne rozwiązanie, w rzeczywistości kryła się za nim głęboka wiedza materiałowa.

Słoma dodawana do gliny pełniła kilka funkcji jednocześnie. Po pierwsze, wzmacniała konstrukcję, działając jak zbrojenie — tak jak dziś stal zbrojeniowa w betonie. Po drugie, zapobiegała pękaniu cegieł podczas suszenia, bo włókna słomy przejmowały naprężenia powstające przy skurczu gliny. Po trzecie wreszcie, czyniła cegły lżejszymi i lepiej izolującymi termicznie.

Archeolodzy pracujący w Ur natrafili na inskrypcję klinową, która okazała się być swoistą instrukcją technologiczną. Autor, prawdopodobnie nadzorca robót budowlanych, skrupulatnie notował, w jakich proporcjach mieszać glinę ze słomą, jak długo ją miesić, jak formować cegły, jak długo suszyć na słońcu, zanim będzie można je układać w murach. To, co dziś nazwalibyśmy normą techniczną, dla naszych przodków było wiedzą praktyczną, zapisaną nie w urzędowych dokumentach, lecz w pamięci rzemieślników.

W podobny sposób, choć na innym poziomie zaawansowania, postępowali budowniczowie z Çatalhöyük, jednego z najstarszych miast świata, istniejącego już 7500 lat przed naszą erą. Tam, w środkowej Anatolii, wznoszono domy z suszonej cegły, łącząc je zaprawą z gliny, a dachy wspierano na drewnianych belkach. Gdy w latach sześćdziesiątych XX wieku brytyjski archeolog James Mellaart prowadził tam wykopaliska, ze zdumieniem stwierdził, że ściany tych domów, choć liczące sobie prawie dziesięć tysięcy lat, wciąż stoją twardo, nie krusząc się, nie pękając. „Ci ludzie”, pisał w swoim dzienniku, „nie mieli pojęcia o fizyce budowli, a jednak instynktownie dobierali proporcje składników tak, by ich domy przetrwały tysiąclecia”.

Fenicjanie i purpura

Nie sposób mówić o starożytnych technologiach polimerowych bez wspomnienia o farbiarstwie, a zwłaszcza o fenickiej purpurze, tej najdroższej i najbardziej pożądanej barwie starożytności. Purpura, pozyskiwana z gruczołów ślimaków morskich z rodzaju Murex, była niezwykle trudna do uzyskania. Na jeden gram barwnika potrzeba było dziesięciu tysięcy ślimaków. Ale to, co działo się dalej, jest równie fascynujące.

Barwnik purpurowy, choć pozyskiwany z organizmów żywych, jest związkiem organicznym, który dopiero w połączeniu z włóknami wełny lub lnu tworzy trwałą, nierozpuszczalną w wodzie barwę. Starożytni farbiarze odkryli, że aby barwnik „związał się” z tkaniną, musi zajść między nimi reakcja chemiczna. Wełna, zbudowana z białka keratyny, ma zdolność wiązania niektórych barwników poprzez tworzenie słabych wiązań chemicznych. Dziś nazywamy to powinowactwem barwnika do włókna. Wtedy nazywano to po prostu „moczeniem w kadziach”, ale mistrzowie farbiarstwa wiedzieli, że temperatura, czas i dodatki mają kluczowe znaczenie.

W Tyrze i Sydonie, fenickich miastach słynących z purpury, farbiarze stanowili elitę rzemieślniczą. Ich warsztaty znajdowały się na obrzeżach miast, nie tylko z powodu smrodu gnijących ślimaków, ale także by chronić tajemnice zawodowe. Legenda głosi, że kiedy Aleksander Wielki zdobył Tyr w 332 roku przed naszą erą, farbiarze woleli popełnić samobójstwo, niż zdradzić sekret produkcji purpury. Czy to prawda? Trudno powiedzieć. Ale sam fakt, że taka legenda przetrwała, świadczy o tym, jak wielką wagę przywiązywano do tej wiedzy.

Chiński jedwab — tajemnica strzeżona przez tysiąclecia

Najbardziej jednak fascynującą historią o intuicyjnej technologii polimerowej i jej ochronie jest chiński jedwab. Przez ponad trzy tysiąclecia Chiny utrzymywały monopol na produkcję jedwabiu, strzegąc tajemnicy hodowli jedwabników i przetwarzania kokonów pod karą śmierci. Legenda głosi, że to cesarzowa Leizu, żona Żółtego Cesarza, około 2700 roku przed naszą erą odkryła jedwab, gdy kokon jedwabnika wpadł jej do filiżanki gorącej herbaty i rozwinął się w delikatną nić. Jakkolwiek było naprawdę, faktem jest, że przez długie wieki Chiny były jedynym producentem tego cennego materiału.

Jedwab to białko — fibroina, otoczona warstwą serycyny, która działa jak klej. Aby uzyskać jedwabną nić, kokony trzeba poddać obróbce termicznej, by zabić poczwarkę, a następnie zanurzyć w gorącej wodzie, by rozpuścić serycynę i umożliwić rozwinięcie nici. Ta nić ma długość nawet półtora kilometra z jednego kokonu. Nawijana na kołowrotek, stanowiła surowiec do tkania najdelikatniejszych tkanin, jakie znał świat.

Rzymianie, którzy płacili za jedwab dosłownie wagą złota, nie mieli pojęcia, skąd pochodzi. Myśleli, że rośnie na drzewach, tak jak bawełna. Pliniusz Starszy w swojej „Historii naturalnej” opisywał jedwab jako „wełnę z liści, którą kobiety sercowe z dalekich Indii przędą na cienkie nici”. Dopiero w VI wieku naszej ery dwóm mnichom, wysłanym przez cesarza Justyniana, udało się przemycić z Chin nasiona morwy i jaja jedwabników w wydrążonych bambusowych laskach. Od tej pory hodowla jedwabników rozprzestrzeniła się w Bizancjum, a później w całej Europie.

Gdy przed laty rozmawiałem z profesorem włókiennictwa z Łodzi, który całe życie poświęcił badaniu jedwabiu, powiedział mi coś, co utkwiło mi w pamięci: „Wiesz, my dziś potrafimy zsyntetyzować każdy polimer, stworzyć włókno o dowolnych właściwościach. A jednak wciąż nie potrafimy dorównać naturze w produkcji jedwabiu. Jedwabnik robi to lepiej niż nasze najbardziej zaawansowane technologie. I robi to od milionów lat. My dopiero uczymy się od niego, jak to się robi”.

Wnioski dla potomnych

Patrząc na te wszystkie starożytne technologie, zadaję sobie pytanie: co my, ludzie XXI wieku, możemy się z nich nauczyć? Czy jest coś, co nasi przodkowie wiedzieli lepiej od nas? Myślę, że tak. Oni mieli czas. Czas na obserwację, na cierpliwe eksperymenty, na przekazywanie wiedzy z pokolenia na pokolenie. Nie spieszyli się, nie gnali za publikacjami i grantami. Po prostu pracowali z materiałem, dzień po dniu, rok po roku, doskonaląc swój warsztat.

Olmekowie, Majowie, Aztekowie, Egipcjanie, Fenicjanie, Chińczycy — wszyscy oni, na długo przed narodzinami chemii jako nauki, posiedli wiedzę, która do dziś budzi nasz podziw. Nie znali pojęcia polimeru, makrocząsteczki, wiązania chemicznego. A jednak instynktownie pojmowali architekturę łańcuchów, bo musieli, bo od tego zależało ich przetrwanie, ich komfort, ich status społeczny.

Kiedy stoję przed witryną muzealną, w której leży mały, czarny kawałek gumy sprzed trzech i pół tysiąca lat, wyjęty z bagnistej ziemi w Meksyku, myślę sobie: oto jest dowód, że geniusz ludzki nie zna granic czasu. Nie potrzebujemy mikroskopów elektronowych, by tworzyć materiały o zadziwiających właściwościach. Potrzebujemy tylko ciekawości, cierpliwości i szacunku dla natury, która dostarcza nam surowców i wzorców. Nasi starożytni mistrzowie polimerów mieli to wszystko w obfitości. My, ich spadkobiercy, często gubimy te cnoty w pogoni za nowością i zyskiem. Może warto się od nich uczyć nie tylko konkretnych technologii, ale przede wszystkim pokory wobec materii i cierpliwości w jej badaniu.

Rozdział 4: Chemicy XIX wieku odkrywają tajemnice natury

Laboratorium w kuchni i inne historie

W dziejach nauki zdarzają się momenty, które trudno nazwać inaczej niż opatrznościowymi. Takim momentem był bez wątpienia rok 1833, gdy szwedzki chemik Jöns Jacob Berzelius, jeden z najwybitniejszych umysłów swojej epoki, sięgnął po pióro, by wprowadzić do słownika naukowego nowe pojęcie. Potrzebował terminu, który opisałby szczególny przypadek izomerii — zjawiska, w którym związki o identycznym składzie chemicznym mają różne masy cząsteczkowe. Przykładem mógł być eten i buten, tlen i ozon. Berzelius, filolog z zamiłowania, sięgnął do greki i utworzył słowo „polymers” — złożone z „poly” (wiele) i „meros” (część).

Nie miał oczywiście pojęcia, że jego neologizm stanie się jednym z kluczowych pojęć chemii XX wieku. Dla Berzeliusa „polimer” oznaczał coś zupełnie innego niż dla nas — był to raczej ciekawostka teoretyczna, opisująca związki, które dziś nazwalibyśmy oligomerami. Prawdziwe polimery, te o gigantycznych cząsteczkach, czekały na swoje odkrycie jeszcze prawie sto lat. A jednak to właśnie w XIX wieku, w laboratoriach rozsianych po całej Europie, zaczęto stopniowo ujawniać tajemnice natury, które dopiero później złożyły się w spójny obraz.

Kiedy myślę o tamtych czasach, wyobrażam sobie małe, źle wentylowane pracownie, zastawione szklanymi naczyniami o skomplikowanych kształtach, pełne kwasów i nieprzyjemnych zapachów. Eksperymenty przeprowadzano często we własnych domach, kuchnie zamieniano w laboratoria, a żony i matki patrzyły na to z niepokojem, zwłaszcza gdy wybuchy i pożary stawały się codziennością. To była nauka uprawiana przez ludzi niezwykłych — pełnych pasji, ale też często lekkomyślnych, gotowych ryzykować zdrowiem i życiem dla jednego, przełomowego odkrycia.

Henri Braconnot i dziwny proszek z roślin

Zacznijmy naszą opowieść od Nancy, urokliwego miasta w Lotaryngii, gdzie dyrektorem ogrodu botanicznego był Henri Braconnot, człowiek o niezwykłej ciekawości świata. Urodzony w 1780 roku, wychowywał się bez matki, która zmarła, gdy miał zaledwie dwa lata. Ojciec, prawnik, zapewnił mu staranne wykształcenie, ale to nie prawo, a przyroda stała się jego prawdziwą pasją.

Braconnot był badaczem wszechstronnym. Interesował się wszystkim — składem chemicznym roślin, właściwościami gleb, procesami gnilnymi. W 1833 roku, a więc dokładnie w tym samym, w którym Berzelius tworzył słowo „polimer”, Braconnot przeprowadził eksperyment, który miał się okazać przełomowy, choć on sam zapewne nie zdawał sobie z tego sprawy. Wziął trociny, zmieszał je ze stężonym kwasem azotowym, a następnie dodał rozpuszczalnik. Po odparowaniu otrzymał biały, kłaczkowaty proszek, który nazwał „xyloidine” — od greckiego „xylon”, oznaczającego drewno.

Proszek ten miał zadziwiające właściwości. Był łatwopalny — wystarczyła iskra, by spłonął gwałtownym płomieniem, nie pozostawiając prawie żadnego popiołu. Mógł być rozpuszczany w occie, a po wyschnięciu tworzył elastyczną, przezroczystą błonę. Dziś wiemy, że Braconnot otrzymał nitrocelulozę — pierwszy w historii materiał polimerowy stworzony przez chemika w laboratorium. Współczesne analizy wskazują, że zawartość azotu w jego ksyloidynie wynosiła około 5—6 procent.

Braconnot próbował formować z tego materiału różne przedmioty, ale bez powodzenia. Był zbyt kruchy, zbyt niestabilny, zbyt trudny w obróbce. Badacz opublikował swoje wyniki i ruszył dalej, w poszukiwaniu innych tajemnic natury. Nie miał pojęcia, że jego odkrycie stanie się zalążkiem całej epoki w dziejach materiałów. Gdyby żył sto lat później, być może stanąłby na podium w Sztokholmie obok Staudingera. Ale historia bywa niesprawiedliwa — jego nazwisko znają dziś tylko specjaliści.

W tym samym czasie w Paryżu pracował inny francuski chemik, Théophile-Jules Pelouze. W 1838 roku, być może zainspirowany pracami Braconnota, zanurzył zwykły papier w kwasie azotowym. Po wysuszeniu papier stał się tak łatwopalny, że wystarczyło najmniejsze potarcie, by eksplodował. Pelouze nazwał swój materiał „pyroxylin” — od greckiego „pyr” oznaczającego ogień. Sam nie znalazł dla niego praktycznego zastosowania, ale jego uczniowie mieli odmienić świat. Jeden z nich, Ascanio Sobrero, odkrył później nitroglicerynę. Drugi, Alfred Nobel, opracował dynamit i ufundował nagrodę, która do dziś jest najwyższym wyróżnieniem naukowym.

Fartuch pani Schönbein

Najbardziej jednak spektakularna, a zarazem najbardziej apokryficzna historia związana z nitrocelulozą wydarzyła się w 1845 roku w szwajcarskim Basel, w domu niemieckiego chemika Christiana Friedricha Schönbeina. Jest to opowieść tak piękna, że każdy wykładowca chemii, prędzej czy później, opowiada ją swoim studentom. I choć jej autentyczność budzi wątpliwości, zbyt dobrze oddaje ducha tamtych czasów, by ją pominąć.

Schönbein, jak wielu uczonych XIX wieku, prowadził eksperymenty także w domu. Jego żona, jak łatwo się domyślić, nie była zachwycona tym faktem. Szczególnie irytowało ją, gdy mąż rozlewał odczynniki w kuchni. Pewnego dnia — głosi legenda — Schönbein pracował nad mieszaniną kwasu azotowego i siarkowego, gdy naczynie wyślizgnęło mu się z rąk. Zanim żona zdążyła zauważyć plamę na podłodze, chemik chwycił pierwszą lepszą szmatę, by zetrzeć kwas. Był to bawełniany fartuch, który pani Schönbein powiesiła przy piecu, by schło po praniu.

Zdając sobie sprawę, że małżonka nie będzie zachwycona widokiem mokrego fartucha, Schönbein powiesił go z powrotem przed kominkiem, by schnął. I wtedy stało się coś nieoczekiwanego. Fartuch zniknął w jednej chwili w oślepiającym błysku, nie pozostawiając po sobie nawet dymu.

Schönbein, ochłonąwszy z wrażenia, zrozumiał, że odkrył coś niezwykłego. Podobnie jak Braconnot i Pelouze przed nim, otrzymał nitrocelulozę. Ale w przeciwieństwie do nich, potrafił to odkrycie skomercjalizować. Opracował metodę produkcji „bawełny strzelniczej” — materiału, który miał zastąpić czarny proch, dymiący i brudzący broń. Co więcej, odkrył także, że nitroceluloza rozpuszcza się w mieszaninie eteru i alkoholu, tworząc lepki roztwór, który później nazwano kolodium.

Schönbein, podekscytowany, napisał list do najwybitniejszego angielskiego chemika Michaela Faradaya, informując go, że potrafi formować ten materiał „we wszelkiego rodzaju rzeczy i kształty”. Nie przypuszczał, że jego odkrycie zapoczątkuje lawinę zdarzeń, która doprowadzi do powstania pierwszego komercyjnego tworzywa sztucznego.

Historia fartucha pani Schönbein jest z pewnością ubarwiona. Być może nigdy się nie wydarzyła. Ale nawet jeśli jest tylko legendą, doskonale ilustruje dwie prawdy o nauce XIX wieku: po pierwsze, że była ona uprawiana często w domowym zaciszu, bez odpowiednich zabezpieczeń; po drugie, że przypadkowe obserwacje prowadziły do największych odkryć. Gdyby nie fartuch, może Schönbein nigdy nie zainteresowałby się nitrocelulozą. A wtedy historia tworzyw sztucznych potoczyłaby się zupełnie inaczej.

Anselme Payen i nazwanie celulozy

Wróćmy jednak do Francji, gdzie w tym samym czasie inny badacz dokonywał odkrycia równie ważnego, choć mniej spektakularnego. Anselme Payen urodził się w Paryżu w 1795 roku w rodzinie przemysłowca. Jego ojciec prowadził rafinerię boraksu — minerału sprowadzanego wówczas wyłącznie z Holenderskich Indii Wschodnich po zawrotnych cenach. Młody Payen, zamiast iść na uniwersytet, uczył się w praktyce, w fabryce ojca. Już jako dwudziestotrzylatek został jej dyrektorem i opracował metodę syntezy boraksu z tańszych surowców, łamiąc holenderski monopol i obniżając cenę o dwie trzecie.

To był dopiero początek jego kariery. Payen interesował się wszystkim — opracowywał metody rafinacji cukru, destylacji alkoholu z ziemniaków, konstruował przyrządy pomiarowe, badał właściwości nawozów. W 1833 roku, wraz ze swoim współpracownikiem Jean-François Persozem, dokonał odkrycia, które przyniosło mu trwałe miejsce w historii nauki. Wyizolował z kiełkującego jęczmienia substancję rozkładającą skrobię na cukry. Był to pierwszy w historii enzym, któremu nadali nazwę „diastaza” (dziś nazywamy go amylazą). To od tej nazwy pochodzi stosowana do dziś końcówka "-aza” w nazewnictwie enzymów.

Sześć lat później Payen sięgnął po drewno. Traktował je kwasem azotowym i ługiem sodowym, a po szeregu operacji otrzymał białą, włóknistą pozostałość, nierozpuszczalną w wodzie i kwasach. Nazwał ją „les cellules” — od łacińskiego słowa oznaczającego komórkę. Była to celuloza, podstawowy budulec roślin, najpowszechniej występujący polimer organiczny na Ziemi.

Payen udowodnił, że celuloza nie jest mieszaniną różnych substancji, jak wcześniej sądzono, ale jednolitym związkiem chemicznym o stałym składzie. Opisał jej właściwości, zbadał występowanie w różnych roślinach, położył podwaliny pod chemię polisacharydów. Dziś, gdy mówimy o celulozie, używamy nazwy, którą on wprowadził. Gdy czytamy książkę drukowaną na papierze, korzystamy z materiału, który on jako pierwszy wyizolował i opisał.

Gdy przed laty przygotowywałem wykład o historii chemii polimerów, natrafiłem na list Payena do przyjaciela, napisany pod koniec życia. Starzejący się badacz wspominał w nim swoje odkrycia z pokorą człowieka, który wie, że nic nie trwa wiecznie. „Być może moje nazwisko przetrwa w podręcznikach jeszcze przez jakiś czas”, pisał, „ale prawdziwym odkrywcą celulozy jest natura. Ja tylko podpatrzyłem jej sekret i opisałem go innym. To niewiele, ale i to wystarczy”. Zmarł w 1871 roku w Paryżu, w czasie gdy Komuna Paryska dogorywała w krwawych walkach na ulicach miasta. Świat, który odchodził, i świat, który nadchodził, zetknęły się w jednym momencie.

Alexander Parkes i zapomniany wynalazca

Przenieśmy się teraz do Birmingham, przemysłowego serca Anglii, gdzie w 1862 roku odbywała się Międzynarodowa Wystawa — jedna z tych wielkich imprez, na których wiktoriańska Wielka Brytania pokazywała światu swoje osiągnięcia techniczne i przemysłowe. Wśród tysięcy eksponatów, obok maszyn parowych, tekstyliów i wyrobów stalowych, znajdował się skromny, ale intrygujący przedmiot — małe, twarde, połyskujące krążki, które ich twórca nazwał „Parkesine”.

Twórcą tym był Alexander Parkes, wynalazca z Birmingham, człowiek o niezwykłej wyobraźni i uporze. Parkes przeczytał publikację Schönbeina o kolodium i postanowił pójść o krok dalej. Mieszał nitrocelulozę z olejem roślinnym i kamforą, a następnie podgrzewał. Odkrył, że powstała masa daje się formować pod wpływem ciepła i ciśnienia, a po ostygnięciu twardnieje, zachowując nadany kształt. Był to pierwszy w historii termoplast — materiał, który można wielokrotnie topić i formować na nowo.

Parkes był przekonany, że jego wynalazek zrewolucjonizuje świat. Zakładał fabrykę, inwestował majątek, walczył o patenty. Niestety, Parkesine okazało się materiałem kapryśnym — pękało, żółkło, a przede wszystkim było łatwopalne. Interes zakończył się bankructwem, a Parkes zmarł zapomniany, jako zgorzkniały starzec. Dziś jego nazwisko znają tylko historycy techniki, choć to właśnie on, a nie Hyatt czy Baekeland, był prawdziwym ojcem tworzyw sztucznych. Sąd w jednym z późniejszych procesów przyznał mu zresztą pierwszeństwo w wynalezieniu celuloidu, choć na pośmiertne uznanie nie miał już wpływu.

Bracia Hyatt i nagroda za kulę bilardową

Historia tworzyw sztucznych nabrała tempa, gdy na scenę wkroczyli Amerykanie. W połowie XIX wieku bilard był niezwykle popularną rozrywką, a kule bilardowe wytwarzano wyłącznie z kości słoniowej. Problem polegał na tym, że najlepsze kule pochodziły z ciosów słoni afrykańskich, a tych zaczynało brakować. Popyt rósł, podaż malała, ceny szalały. Firma Phelan and Collender, jeden z największych producentów sprzętu bilardowego, w 1864 roku ogłosiła konkurs — oferowała dziesięć tysięcy dolarów nagrody dla tego, kto opracuje materiał dorównujący kości słoniowej, a tańszy w produkcji.

Dziesięć tysięcy dolarów było wówczas sumą olbrzymią — odpowiednik dzisiejszych trzystu tysięcy. Nic dziwnego, że wieść o nagrodzie obiegła Amerykę i przyciągnęła wielu łowców fortuny. Jednym z nich był John Wesley Hyatt, młody drukarz z Albany w stanie Nowy Jork. Hyatt nie miał wykształcenia chemicznego, ale miał smykałkę do mechaniki i upór godny lepszej sprawy.

Przez kilka lat eksperymentował z różnymi materiałami. Początkowo próbował prasować sproszkowaną kość słoniową z szelakiem — naturalną żywicą. Podobno wysłał nawet partię takich kul do firmy Phelan and Collender, ale te pękały przy pierwszym uderzeniu. Potem przyszła kolej na mieszaninę trocin, papieru i żywic — bez powodzenia.

Przełom nastąpił przypadkiem, jak to zwykle w takich historiach bywa. Hyatt używał w swojej drukarni kolodium do zabezpieczania palców przed skaleczeniami przy składaniu czcionek. Pewnego dnia rozlał butelkę i zauważył, że po wyschnięciu kolodium tworzy twardą, elastyczną powłokę. Przyszło mu do głowy, że może to być materiał, którego szuka. Zaczął mieszać kolodium z kamforą i po serii eksperymentów otrzymał masę, którą można było formować pod wpływem ciepła i ciśnienia. Brat Johna, Isaiah Hyatt, nadał jej nazwę „celluloid” — od celulozy, z której pochodziła, i greckiego „eidos” oznaczającego formę.

W 1869 roku John Wesley Hyatt opatentował swój wynalazek i założył fabrykę. Kule bilardowe z celuloidu trafiły na rynek i odniosły sukces, choć nie obyło się bez problemów. Celuloid był, jak wszystkie materiały z nitrocelulozy, łatwopalny. Krążyły legendy, choć trudno oddzielić w nich prawdę od fantazji, o saloonach na Dzikim Zachodzie, gdzie gra bilardowa kończyła się strzelaniną, gdy zderzające się kule wybuchały z hukiem. Mówiono też o liście od właściciela saloonu z Denver, który skarżył się Hyattowi, że odgłos zderzających się kul przypomina strzały i zmusza gości do wyciągania pistoletów.

Niezależnie od prawdziwości tych opowieści, faktem jest, że fabryka Hyatta wielokrotnie płonęła, a sam wynalazca musiał zmagać się z konkurencją. W Anglii Daniel Spill produkował podobny materiał pod nazwą „xylonite” i zarzucił Hyattowi kradzież patentu. Proces ciągnął się latami, aż w końcu sąd orzekł, że faktycznym wynalazcą był Alexander Parkes, a obie firmy mogą produkować celuloid na licencji.

Mimo tych trudności, celluloid odniósł spektakularny sukces. Stał się materiałem wszechstronnym — używano go do wyrobu kołnierzyków, grzebieni, lalek, a przede wszystkim taśmy filmowej. Gdy bracia Lumière kręcili swoje pierwsze filmy, używali właśnie celuloidu. Gdy Thomas Edison budował swoje kinetoskopy, potrzebował celuloidu. Przez ponad pół wieku był to jedyny materiał do produkcji klisz i filmów, aż do czasu, gdy zastąpiono go bezpieczniejszym octanem celulozy.

Towarzysze podróży

Opowieść o XIX-wiecznych odkrywcach polimerów nie byłaby kompletna bez wspomnienia o innych badaczach, którzy przyczynili się do rozwoju tej dziedziny. W 1839 roku, zupełnie niezależnie od prac nad nitrocelulozą, niemiecki aptekarz Eduard Simon przypadkowo otrzymał polistyren — choć nie wiedział, co tak naprawdę trzyma w rękach. Badał balsam pochodzący z drzewa Liquidambar orientalis i po destylacji otrzymał żelową substancję, którą nazwał „styrol”. Dopiero później okazało się, że to polimer.

W Rosji Aleksandr Butlerow, twórca teorii struktury chemicznej, badał związek między budową cząsteczek a ich skłonnością do polimeryzacji. Jego prace stworzyły podwaliny pod zrozumienie mechanizmów łączenia się małych cząsteczek w długie łańcuchy.

W Anglii William Tilden, badacz kauczuku, próbował rozwikłać zagadkę jego struktury. Wiedział, że kauczuk pozyskiwany z drzewa Hevea brasiliensis ma niezwykłe właściwości, ale nie rozumiał, dlaczego. Jego prace, podobnie jak badania Gustava Bouchardata we Francji i Carla Harriesa w Niemczech, przygotowały grunt pod późniejsze odkrycia Staudingera.

Wszyscy oni pracowali po omacku, bez mapy, bez kompasu. Nie mieli pojęcia o makrocząsteczkach, nie rozumieli, że łańcuchy polimerowe mogą zawierać tysiące, a nawet miliony atomów. Myśleli w kategoriach małych cząsteczek, które jakoś, w niewyjaśniony sposób, łączą się w koloidalne agregaty. Dopiero Staudinger, dwie dekady później, miał rozwiązać tę zagadkę.

Dziedzictwo XIX wieku

Gdy patrzymy dziś na osiągnięcia chemików XIX wieku, uderza nas przede wszystkim jedno: pracowali w ciemności, a jednak trafiali. Braconnot, Schönbein, Payen, Parkes, Hyatt — każdy z nich, na swój sposób, przyczynił się do zrozumienia tajemnic natury. Nie mieli pojęcia o polimerach w dzisiejszym rozumieniu, ale instynktownie wyczuwali, że materia kryje w sobie głębsze prawdy, niż się wydaje.

Byli to ludzie niezwykli — ciekawscy, odważni, uparci. Ryzykowali zdrowiem, majątkiem, życiem. Schönbein omal nie wysadził swojej kuchni. Hyatt stracił fortune, zanim dorobił się nowej. Parkes zbankrutował i umarł w zapomnieniu. A jednak nie poddawali się, bo wiedzieli, że są blisko czegoś ważnego, czegoś, co może zmienić świat.

I zmienili. Bez ich odkryć nie byłoby celuloidu, a bez celuloidu nie byłoby filmu, fotografii, przemysłu rozrywkowego. Nie byłoby też późniejszych tworzyw — bakelitu, nylonu, polietylenu. Oni otworzyli drzwi, przez które później mieli przejść inni. Może nie zdawali sobie z tego sprawy, może myśleli tylko o nagrodzie za kulę bilardową, o opatentowaniu nowego materiału, o sławie i pieniądzach. Ale ich dzieło przetrwało.

Gdy dziś włączamy telewizor, sięgamy po długopis, wyjmujemy z szuflady starą kliszę fotograficzną, powinniśmy pamiętać o tych, którzy to umożliwili. O Braconnotcie, który z trocin zrobił proszek. O Schönbeinie, który spalił fartuch żony. O Payenie, który nazwał celulozę. O Parkesie, który zbankrutował dla idei. O Hyatcie, który wygrał wyścig po nagrodę.

Ich historie uczą nas, że nauka to nie tylko suche fakty i wzory chemiczne. To przede wszystkim ludzie — z ich pasjami, słabościami, marzeniami i uporem. To oni, a nie abstrakcyjne pojęcia, tworzą historię. I to oni, choć dawno odeszli, wciąż są z nami — w każdym kawałku plastiku, w każdej klatce filmowej, w każdej kuli bilardowej, która toczy się po zielonym suknie.

Część II: Narodziny Przemysłu Polimerowego (XIX wiek)

Rozdział 5: Kauczuk i rewolucja wulkanizacji

Łzy drzewa i ludzka obsesja

W dziejach nauki i techniki istnieją opowieści tak niezwykłe, tak głęboko ludzkie w swoim tragizmie, że trudno uwierzyć, iż wydarzyły się naprawdę. Historia Charlesa Goodyeara, człowieka, który dał światu gumę, a sam umarł w nędzy, należy do tych, które każdemu chemikowi ściskają gardło i każą zastanowić się nad naturą sukcesu i porażki. To opowieść o obsesji, o cierpliwości graniczącej z szaleństwem, o wierze we własne racje, która nie gasła nawet w więziennych celach, gdzie trafiał za długi, nawet w chwilach, gdy rodzina głodowała, a przyjaciele odwracali się plecami.

Ale zanim przejdziemy do Goodyeara, musimy cofnąć się do początku, do źródła. Źródłem tym jest Hevea brasiliensis — drzewo kauczukowe, które rośnie dziko w amazońskiej puszczy. Gdy indiański robotnik nacina korę, wypływa z niej mlecznobiały sok. Indianie nazywali go „łzami drzewa” i używali do wyrobu nieprzemakalnych tkanin, butelek, a przede wszystkim piłek do rytualnych gier. Gdy pierwsze te piłki dotarły do Europy, wzbudziły sensację na dworach królewskich. Nic takiego nie widziano wcześniej — kula, która po uderzeniu o podłogę odbijała się z niespodziewaną siłą, która dawała się ugniatać w palcach, a po chwili wracała do pierwotnego kształtu.

Europejczycy szybko odkryli, że kauczuk ma jednak poważną wadę. W upalne dni mięknął i kleił się do wszystkiego. W chłodne dni twardniał i pękał jak szkło. Buty gumowe, które w sklepie wydawały się idealne, po pierwszym przymrozku rozpadały się na kawałki. Peleryny przeciwdeszczowe w upał przywierały do ciała i cuchnęły tak, że nie sposób było ich nosić. Był to materiał kapryśny, nieprzewidywalny, który obiecywał wiele, a dawał jeszcze więcej rozczarowań.

Kowal z New Haven

W tym samym czasie, na początku XIX wieku, w miasteczku New Haven w stanie Connecticut, żył sobie Charles Nelson Goodyear, syn kowala. Ojciec, Amasa Goodyear, był człowiekiem przedsiębiorczym — nie tylko kuł żelazo, ale też produkował metalowe guziki i sprzączki, a nawet opatentował własną konstrukcję widłów rolniczych. Charles od dziecka wykazywał zdolności mechaniczne. Ojciec wysłał go na terminator do przedsiębiorstwa handlującego żelazem i stalą w Filadelfii, a potem zabrał z powrotem do rodzinnego interesu.

Młody Goodyear szybko wdrażał innowacje. Sprowadzał nowe maszyny, usprawniał produkcję, otworzył nawet dział mechaniki precyzyjnej, gdzie naprawiano delikatne sprzęty, jak zegary. Interesy szły świetnie, rodzina prosperowała, a przed Charlesem rysowała się przyszłość szanowanego kupca i przemysłowca. Gdyby wtedy ktoś powiedział mu, że spędzi większą część życia w więzieniach za długi, że będzie głodować, że straci pięcioro dzieci z trzynastu, które wyda na świat jego żona Clarissa, że wreszcie umrze w nędzy, pozostawiając po sobie dług na dwieście tysięcy dolarów — uznałby to pewnie za ponury żart.

A jednak tak się stało. Wszystko przez kauczuk.

Gorączka kauczukowa

W 1820 roku do Stanów Zjednoczonych dotarła z Brazylii pierwsza partia indiańskich pantofli gumowych. Towar wzbudził sensację — był lekki, elastyczny, nieprzemakalny. Amerykańscy przedsiębiorcy rzucili się na nowy surowiec jak na złoto. W ciągu kilkunastu lat powstały dziesiątki fabryk produkujących płaszcze, kamizelki ratunkowe, obuwie. Nazywano to „gorączką kauczukową”.

Goodyear, który w międzyczasie ożenił się i prowadził w Filadelfii sklep z towarami żelaznymi, z zainteresowaniem śledził te wydarzenia. Interes szedł mu jednak coraz gorzej. Okazało się, że handel nie jest jego mocną stroną. Zadłużał się, zaciągał pożyczki, nie był w stanie ich spłacać. W 1830 roku, zgodnie z drakońskim prawem epoki, trafił do więzienia za długi.

Gdy wyszedł na wolność, spotkał przypadkiem fabrykanta kauczukowego. Rozmowa, którą odbyli, miała odmienić jego życie — i świat. Fabrykant opowiedział mu o właściwościach kauczuku, o jego zaletach, ale też o ogromnych problemach z jego nietrwałością. Mówił o tym, że cała branża czeka na kogoś, kto ujarzmi ten materiał, kto sprawi, że przestanie się topić w upale i pękać na mrozie.

Goodyear wyszedł z tej rozmowy jak nawrócony. „Kauczuk”, pisał później w swoim pamiętniku, „stał się dla mnie czymś więcej niż przedmiotem zainteresowania. Stał się obsesją, która wypełniła każdą godzinę mojego życia, każdą myśl, każde marzenie”.

Droga przez mękę

Rozpoczął eksperymenty. Nie miał wykształcenia chemicznego, nie znał się na odczynnikach, nie miał pieniędzy na zakup sprzętu. Ale miał coś, co w nauce bywa cenniejsze od dyplomów — niezłomną wiarę, że się uda.

Pierwsze próby podejmował ze wspólnikiem z dzieciństwa. Otworzyli fabryczkę obuwia gumowego. Buty sprzedawały się znakomicie — przez pierwsze dni. Potem zaczęły wracać klienci, wściekli, że podeszwy skleiły się w jedną masę, że buty rozłażą się w cieple, że cuchną jak zepsute ryby. Grożono im pobiciem, procesami, linczem. Firma upadła, a Goodyear musiał uciekać z Filadelfii do Nowego Jorku, by uniknąć samosądu.

W Nowym Jorku wciągnął w eksperymenty sąsiada aptekarza. Razem próbowali różnych dodatków. Goodyear zauważył, że kauczuk oblany kwasem azotowym traci swoją kleistość na powierzchni. Było to pierwsze, nieśmiałe zwycięstwo. Zaczął produkować nieprzemakalne płachty metodą, którą nazwał „kwasową”. Zainteresował się nimi bogaty kupiec William Ballard, który zaproponował spółkę. Dał pieniądze na surowiec, wynajął fabrykę, otworzył sklep z piękną witryną. Interesy szły świetnie. Goodyear odetchnął z ulgą — wreszcie, po latach nędzy, los się do niego uśmiechnął.

Nie uśmiechnął się długo. W 1837 roku Stany Zjednoczone ogarnął kryzys spekulacyjny. Banki upadały jedna za drugą, przedsiębiorstwa bankrutowały. Interes Ballarda i Goodyeara też legł w gruzach. Goodyear znowu popadł z rodziną w biedę. Wrócił do New Haven, gdzie brat pomógł mu otworzyć małą pracownię. Produkował płachty, parasole, obuwie. Ale i to nie trwało długo — klienci skarżyli się, że tylko wierzchnia warstwa kauczuku traci kleistość, a głębsze warstwy pozostają lepkie. Zniechęcony przekazał pracownię bratu, zobowiązując go do produkcji wyłącznie płacht, a sam skupił się na dalszych doświadczeniach.

Wtedy właśnie poznał Nathaniela Haywarda, byłego kierownika upadłej fabryki gumy w Woburn. Hayward zdradził mu swój sekret: odkrył, że kauczuk zmieszany z siarką i wystawiony na działanie słońca tracił lepkość i stawał się odporny na zmiany temperatur. Goodyear natychmiast podjął ten trop. Mieszał kauczuk rozpuszczony w terpentynie z siarką i wystawiał na słońce. Nową metodę, zwaną „solaryzacją”, wdrożył w pracowni brata w New Haven. Klientów znowu nie brakowało, rodzina zaczęła wychodzić z biedy. Ale pech nie opuszczał Goodyeara — rządowe zamówienie na nieprzemakalne worki pocztowe, poddane wnikliwej kontroli, wypadło fatalnie. Okazało się, że worki nie wytrzymują próby czasu. Goodyear znowu stracił wszystko.

Przełom przy kuchennym piecu

I tu dochodzimy do momentu, który obrósł legendą. Jest rok 1839. Goodyear, jak zwykle bez grosza przy duszy, eksperymentuje w kuchni swojego domu w Woburn. Miesza kauczuk z siarką i różnymi dodatkami, podgrzewa, studzi, sprawdza. Pewnego dnia, zniecierpliwiony niepowodzeniami, energicznie macha rękami, by pozbyć się lepkiej mazi, która przywarła mu do palców. Kawałki mieszaniny spadają na rozgrzany piec. I wtedy dzieje się coś niezwykłego. Zamiast stopić się i spłynąć, jak to robił zwykły kauczuk, masa zaczyna się zwęglać na brzegach, tworząc twardą, ale elastyczną obwódkę wokół miękkiego środka.

Goodyear zamiera. To, co widzi, wydaje mu się niemożliwe. Wyciąga kawałek przypalonej gumy, studzi, rozciąga. Materiał jest sprężysty, wytrzymały, nie klei się, nie pęka. Goodyear wie, że trzyma w rękach coś, czego szukał przez dziesięć lat.

Inna wersja tej legendy, spisana w książce Kamila Giżyckiego „Hevea płacze kauczukiem”, mówi o rozmowie Goodyeara ze starym klucznikiem w więzieniu w Filadelfii. Goodyear, który trafił tam znowu za długi, miał powiedzieć: „Ach, Blackwood! Zamykają mnie teraz, kiedy właśnie jestem u celu moich doświadczeń! Czy pan wie, że udało mi się zmetalizować kauczuk? Gdyby mi zostawiono jeszcze kilka miesięcy…". Czy to możliwe, że wynalazek, który miał zmienić świat, narodził się w celi więziennej? Być może. Goodyear spędził w więzieniach tyle czasu, że nie sposób wykluczyć, iż i to zdarzenie miało tam miejsce.

Niezależnie od szczegółów, faktem jest, że w 1839 roku Goodyear odkrył, iż ogrzewanie kauczuku z siarką w wysokiej temperaturze prowadzi do powstania materiału o zupełnie nowych właściwościach. Dziś wiemy, że zachodzi wtedy reakcja chemiczna, w której atomy siarki tworzą mostki między długimi łańcuchami poliizoprenu, z których zbudowany jest kauczuk. To jakby spleść ze sobą luźne nici w wytrzymałą sieć. Łańcuchy wciąż mogą się przesuwać względem siebie — stąd elastyczność — ale nie mogą się już rozdzielić i odpłynąć. Materiał nie topi się na gorąco i nie pęka na mrozie. Jest stabilny, trwały, sprężysty.

Goodyear nazwał swój proces „wulkanizacją”, od imienia Wulkana, rzymskiego boga ognia i kowalstwa. To była trafna nazwa — ogień rzeczywiście odegrał tu kluczową rolę.

Walka o patent

15 czerwca 1844 roku Charles Goodyear otrzymał patent numer 3633 na „ulepszenia w wyrobach z kauczuku indyjskiego”. Mógłby pomyśleć, że to koniec jego udręki. Nic bardziej mylnego.

Patent okazał się łatwy do obejścia. Proces wulkanizacji był prosty — wystarczyło dodać siarkę i podgrzać. Setki drobnych producentów zaczęły produkować gumę, nie płacąc Goodyearowi ani centa. Goodyear, zamiast skupić się na produkcji, rzucił się w wir procesów sądowych. Pozwał dziesiątki rzekomych oszustów. Procesy ciągnęły się latami, pożerając resztki jego majątku. Najsłynniejszy z nich, przeciwko Horace’owi Dayowi, przeszedł do historii jako „Wielka Procesja o Kauczuk Indyjski”. Goodyeara reprezentował sam Daniel Webster, ówczesny sekretarz stanu, który wziął za to podobno 15 tysięcy dolarów — sumę gigantyczną jak na tamte czasy. Goodyear wygrał, ale koszty prawne go dobiły.

W 1851 roku na Wystawę Światową w Londynie przywiózł cały pałac zbudowany z gumy — meble, ściany, okna, wszystko z gumy. Wystawa odniosła sukces, Goodyear został obsypany medalami i wyróżnieniami. Ale pieniędzy z tego nie miał. W 1855 roku w Paryżu, na kolejnej wystawie, został aresztowany za długi i osadzony w więzieniu dla dłużników. Interweniował sam cesarz Napoleon III, który kazał go uwolnić i odznaczył Krzyżem Legii Honorowej. Goodyear wyszedł na wolność, ale długi zostały.

Gdy w 1858 roku jego zdrowie się załamało, pojechał do Waszyngtonu, by osobiście zabiegać o przedłużenie patentu. Przed Komisją Patentową przemawiał przez trzy godziny, choć ledwo stał na nogach. Opowiadał o latach spędzonych w więzieniach, o dzieciach, które umierały z głodu, o żonie, która sprzedawała ostatnie rzeczy, by miał na chleb. Komisja była wzruszona, ale patentu nie przedłużyła.

Thomas Hancock — angielski konkurent

Po drugiej stronie Atlantyku, w Anglii, podobnymi problemami zajmował się Thomas Hancock, człowiek o nieco innym charakterze i zupełnie innym losie. Hancock pochodził z Marlborough w południowo-zachodniej Anglii. Był jednym z sześciu utalentowanych braci — mechaników, wynalazców, artystów. On sam od młodości interesował się kauczukiem i w przeciwieństwie do Goodyeara, miał do tego interesu głowę.

W 1820 roku Hancock opracował maszynę, która miała zrewolucjonizować przetwórstwo kauczuku. Było to urządzenie, które dziś nazwalibyśmy ugniatarką, a które on przezornie nazwał „mastikatorem”. Maszyna ta, wyposażona w ząbkowane walce, rozdrabniała kauczuk na małe kawałki i mieszała go w jednolitą masę. Co ciekawe, Hancock nie opatentował swojego wynalazku. Ukrył go pod fałszywą nazwą „the pickle” — „marynata” — i ufał, że robotnicy, których zatrudniał, dochowają tajemnicy.

Hancock współpracował z Charlesem Macintoshem, szkockim chemikiem, który w 1823 roku wynalazł nieprzemakalną tkaninę — dwie warstwy materiału z warstwą kauczuku pomiędzy nimi. Płaszcze przeciwdeszczowe produkowane tą metodą do dziś noszą nazwę „mackintosh”.

Gdy Goodyear ogłosił swoje odkrycie wulkanizacji, Hancock natychmiast podjął własne eksperymenty. Twierdził później, że doszedł do tego samego wynalazku niezależnie. W 1843 roku, rok przed Goodyearem, złożył w Anglii wniosek patentowy na podobny proces. Historycy do dziś spierają się, czy Hancock ukradł pomysł Goodyearowi, czy rzeczywiście odkrył go samodzielnie. Faktem jest, że Hancock był człowiekiem bogatym i szanowanym, gdy Goodyear wegetował w nędzy. W 1857 roku Hancock opublikował książkę „Personal Narrative of the Origin and Progress of the Caoutchouc or India-Rubber Manufacture in England”, w której szczegółowo opisał swoje dokonania. Goodyear nie doczekał wydania żadnej swojej książki.

Śmierć w nędzy

1 lipca 1860 roku Charles Goodyear przyjechał do Nowego Jorku. Jego córka Ellen właśnie dowiedziała się, że jej mąż zaginął gdzieś w Europie. Goodyear, choć sam ledwo żywy, postanowił ją pocieszyć. W hotelu „Fifth Avenue” dostał ataku. Gdy przybyła żona Clarissa, powiedział do niej: „Oto jestem, moja droga. Bóg odwiedza mnie w chorobie, ale ja przyjmuję to z pokorą”. To były jego ostatnie słowa. Zmarł tego samego dnia. Miał 59 lat.

Pozostawił po sobie dług 200 tysięcy dolarów i trzynastkę dzieci, z których tylko ośmioro dożyło dorosłości. Nie doczekał czasów, gdy jego nazwisko stało się marką wartą miliardy. W 1898 roku, 38 lat po jego śmierci, Frank Seiberling założył w Akron w stanie Ohio firmę produkującą opony. Potrzebował nazwy, która będzie się kojarzyć z jakością i tradycją. Wybrał „Goodyear Tire and Rubber Company”. Charles Goodyear nie miał z tą firmą nic wspólnego, ani on, ani jego rodzina. Jego nazwisko stało się towarem, jak kauczuk, którym tak bardzo chciał ujarzmić.

Chemia, która zmieniła świat

Czym właściwie jest wulkanizacja? Dziś wiemy, że kauczuk naturalny to polimer izoprenu — długie łańcuchy, w których powtarza się ta sama jednostka chemiczna. W surowym kauczuku łańcuchy te są splątane, ale nie połączone ze sobą. Dlatego mogą się przesuwać — materiał jest plastyczny, lepki, podatny na odkształcenia.

Gdy dodajemy siarkę i podgrzewamy, atomy siarki wbudowują się między łańcuchy, tworząc mostki — wiązania poprzeczne. Liczba tych mostków decyduje o właściwościach końcowego produktu. Mało siarki — guma miękka, elastyczna, dobra na opony i dętki. Dużo siarki — guma twarda, ebonit, używana do izolacji, wyrobu grzebieni, przedmiotów codziennego użytku.

To odkrycie otworzyło drogę do niezliczonych zastosowań. Guma stała się materiałem strategicznym. Bez niej nie byłoby rozwoju motoryzacji — opony, uszczelki, amortyzatory, wszystkie te elementy wymagają gumy. Bez gumy nie byłoby przemysłu elektrotechnicznego — izolacja przewodów, osłony kabli. Bez gumy nie byłoby lotnictwa, astronautyki, medycyny.

Dziś produkujemy miliony ton gumy rocznie. Większość to kauczuk syntetyczny, wytwarzany z ropy naftowej, ale wciąż około 40 procent pochodzi z naturalnego lateksu, głównie z plantacji w Azji Południowo-Wschodniej. Drzewa Hevea brasiliensis wciąż płaczą swoimi łzami, a my wciąż zbieramy te łzy i przetwarzamy je metodą, którą odkrył nieszczęśliwy mechanik z New Haven.

Lekcja Goodyeara

Gdy myślę o Charlesie Goodyearze, przychodzi mi do głowy pytanie, które zadaję sobie od lat: czy warto? Czy warto poświęcić życie, majątek, rodzinę, zdrowie dla jednego wynalazku? Czy świadomość, że zmieniło się świat, rekompensuje lata spędzone w więzieniach, głodne dzieci, rozpacz żony?

Goodyear z pewnością nie miał wątpliwości. W jednym z listów pisał: „Życie nie powinno być mierzone tym, co się z niego otrzymuje, ale tym, co się z niego daje innym”. Oddawał wszystko, co miał. I dostał w zamian — nic. A jednak dostał wszystko, choć sam tego nie doczekał. Dziś, gdy patrzymy na samochody toczące się po gumowych oponach, gdy zakładamy kalosze w deszczowy dzień, gdy używamy gumek do ścierania ołówkowego śladu — myślimy o nim. O człowieku, który nie umiał robić interesów, ale umiał marzyć. I tych marzeń nie oddał za żadne pieniądze świata.

Gdy w 1839 roku w kuchni w Woburn kawałek gumy spadł na rozgrzany piec, nikt nie wiedział, że to początek nowej ery. Era ta trwa do dziś. A Charles Goodyear, syn kowala z New Haven, ma w niej miejsce pierwsze, choć sam nigdy nie zasiadł przy stole, przy którym ucztowali zwycięzcy.

Rozdział 6: Modyfikacja celulozy — Od prochu do luksusu

Kiedy materiał wybuchowy stał się grzebieniem

W dziejach nauki zdarzają się ironie, które trudno pominąć milczeniem. Jedną z nich jest fakt, że materiał, który miał służyć zabijaniu na masową skalę, stał się podłożem narodzin przemysłu filmowego, a później — źródłem codziennego luksusu dla milionów ludzi. Nitroceluloza, bo o niej mowa, przeszła drogę zadziwiającą: od prochu strzelniczego, przez opatrunki chirurgiczne, po kołnierzyki, grzebienie i wreszcie taśmę filmową, która utrwaliła dla potomnych pierwsze kroki kina. To opowieść o tym, jak przypadkowe odkrycia, ludzka pomysłowość i zwykły przypadek splotły się w historię, która na zawsze zmieniła naszą cywilizację.

Gdy Christian Friedrich Schönbein w 1845 roku patrzył na znikający w błysku fartuch swojej żony, nie mógł przewidzieć, że jego odkrycie zapoczątkuje łańcuch zdarzeń prowadzący do powstania pierwszego komercyjnego tworzywa sztucznego. Bawełna strzelnicza, bo tak nazwano nitrocelulozę, była materiałem niezwykłym — spalała się błyskawicznie, nie pozostawiając dymu, a jej siła krusząca przewyższała wielokrotnie czarny proch. Armie Europy rzuciły się na nowy wynalazek jak na zbawienie. Wkrótce jednak okazało się, że produkcja bawełny strzelniczej jest niebezpieczna, a jej przechowywanie — jeszcze bardziej. Fabryki wybuchały jedna po drugiej, a generałowie wracali do sprawdzonego, choć dymiącego, czarnego prochu.

Kolodium — aptekarski sekret

Zanim jednak nitroceluloza trafiła do przemysłu zbrojeniowego, znalazła zastosowanie w medycynie. W 1848 roku młody bostoński lekarz John Parker Maynard odkrył, że nitroceluloza rozpuszczona w mieszaninie eteru i alkoholu tworzy lepką, przezroczystą ciecz, która po nałożeniu na ranę szybko wysycha, tworząc elastyczną, przylegającą błonę. Nazwał ją kolodium i zaczął stosować zamiast szwów chirurgicznych.

Gdy po raz pierwszy czytałem opis tej metody, uderzyła mnie jej prostota i skuteczność. Maynard opisywał, jak oczyścił ranę, skleił jej brzegi palcami, a następnie posmarował kolodium. Po kilkunastu sekundach na skórze tworzyła się przezroczysta, elastyczna powłoka, która utrzymywała brzegi rany w idealnym zetknięciu, a przy tym nie przeszkadzała w gojeniu. Nie było potrzeby zakładania szwów, które w tamtych czasach często prowadziły do zakażeń.

Kolodium szybko trafiło do aptek i stało się standardowym wyposażeniem każdego szpitala. Używano go także w fotografii — emulsja światłoczuła nakładana na szklane płyty była utrwalana właśnie warstwą kolodium. To był pierwszy krok w kierunku fotografii, która nie wymagała długich ekspozycji i mogła być wykonywana poza atelier.

Alexander Parkes i zapomniany geniusz

W Birmingham, przemysłowym sercu Anglii, mieszkał w tym czasie człowiek o nazwisku Alexander Parkes. Był on z zawodu metalurgiem, ale pasjonowała go chemia, a zwłaszcza nowe materiały. W swojej pracowni przy Newhall Hill eksperymentował z kauczukiem, z celulozą, z żywicami. W 1855 roku wpadł na pomysł, by do kolodium dodać kamforę i olej roślinny, a następnie odparować rozpuszczalnik.

To, co otrzymał, było materiałem zadziwiającym. Po wyschnięciu tworzył twardą, ale elastyczną masę, którą można było formować pod wpływem ciepła. Parkes nazwał swoje odkrycie „parkesine” i w 1862 roku zaprezentował je na Międzynarodowej Wystawie w Londynie. Wśród tysięcy eksponatów — maszyn parowych, tkanin, wyrobów stalowych — małe, połyskujące przedmioty z parkesine wzbudziły spore zainteresowanie. Były to grzebienie, pudełka, guziki, a nawet przezroczyste arkusze, przez które można było oglądać zdjęcia.

Parkes otrzymał brązowy medal, a jego wynalazek okrzyknięto jednym z najważniejszych odkryć wystawy. Prasa pisała o „nowym materiale, który może zastąpić kość słoniową, rogi, a nawet drewno”. Parkes, zachęcony sukcesem, założył firmę Parkesine Company i rozpoczął produkcję na skalę przemysłową.

Niestety, parkesine okazało się materiałem kapryśnym. Pękało, żółkło, a przede wszystkim było łatwopalne. W dodatku Parkes nie miał smykałki do interesów. Inwestował w kosztowne maszyny, zatrudniał zbyt wielu robotników, zaniedbywał kontrolę jakości. Firma zaczęła przynosić straty. W 1868 roku Parkesine Company zbankrutowała, a sam Parkes, zgorzkniały i rozczarowany, wrócił do swojej metalurgicznej pracowni.

Gdy dziś spaceruję po londyńskim Hackney, mijając tablicę upamiętniającą miejsce, gdzie stała fabryka Parkesa, myślę o tym, jak często geniusz nie idzie w parze z praktycznością. Parkes był wizjonerem, ale nie umiał sprzedać swojej wizji. Umarł w 1890 roku, zapomniany i biedny. Jego nazwisko znają dziś tylko historycy techniki. A przecież to on, a nie Hyatt czy Baekeland, był prawdziwym ojcem tworzyw sztucznych. Sąd w jednym z późniejszych procesów przyznał mu zresztą pierwszeństwo w wynalezieniu celuloidu.

Bracia Hyatt i nagroda za kulę bilardową

Gdy Parkes upadał, po drugiej stronie Atlantyku młody drukarz z Albany, John Wesley Hyatt, szykował się do podjęcia wyzwania, które miało odmienić jego życie. W 1863 roku firma Phelan and Collender, jeden z największych producentów sprzętu bilardowego w Ameryce, ogłosiła konkurs: oferowała dziesięć tysięcy dolarów nagrody dla tego, kto opracuje materiał dorównujący kości słoniowej, a tańszy w produkcji.

Dziesięć tysięcy dolarów było wówczas sumą olbrzymią — odpowiednik dzisiejszych trzystu tysięcy. Popyt na kości słoniowej kule bilardowe rósł, ale słoni afrykańskich zaczynało brakować. Ceny szalały, a producenci bilardowi patrzyli w przyszłość z niepokojem.