הכימאית שמשכה בחוטים

חישבו לרגע על ספיידרמן. גיבור העל המפורסם אומנם קיבל לכאורה כוחות מיוחדים מנשיכת עכביש רדיואקטיבי, אבל כדי לדלג בין בניינים הוא מרכיב על מפרק כף ידו מתקן קטן שמפיק קורים חזקים במיוחד. סביר להניח שאילו "איש העכביש" היה קיים במציאות, הוא היה חייב תודה גדולה לסטפני קוולק (Kwolek), הכימאית האמריקאית שפיתחה עבור חברת דופונט את הקוולר (Kevlar) – סיב חזק, גמיש ועתיר שימושים. אפשר למצוא אותו כיום, 56 שנה אחרי שנרשם הפטנט עליו, במגוון רחב של מוצרים, מחליפות כבאים חסינות אש ועד כבלים לחיזוק גשרים.

פיתוח מציאותי שכאילו לקוח מעולמם של גיבורי העל. "בלוטת הקורים" באמת ידו של ספיידרמן - מתוך תצוגה במוזיאון השעווה במדריד | צילום: Anton_Ivanov, Shutterstock

קוולק נולדה ב-1923 בפנסילבניה להורים ממוצא פולני. אביה ג'ון (יאן), שמת כשהייתה רק בת 10, היה חובב טבע מושבע, ובילדותה המוקדמת בילתה איתו שעות רבות כשהיא מוקסמת מהפלאים ההנדסיים הקטנים של הטבע, כמו קורי עכביש או עלי עצים. בבגרותה למדה כימיה באוניברסיטת קרנגי מלון בפיטסברג וסיימה בגיל 23 את לימודי התואר הראשון. קוולק התכוונה בשלב הזה להמשיך ללימודי רפואה, וכדי לממן את שכר הלימוד התראיינה למשרה זמנית בחברת הכימיקלים דופונט (Dupont). העבודה ריתקה אותה עד כדי כך שהיא זנחה את תוכניותיה הקודמות והמשיכה לעסוק בכימיה בחברה במשך 40 שנים נוספות.

בשנת 1965 פיתחה קוולק את הקוולר, סוג של סיב סינתטי רב עוצמה, במטרה למצוא חלופה לסיבי הפלדה ששולבו עד אז בצמיגי מכוניות. הסיבים שפיתחה היו קלים יותר וחזקים יותר מסיבי המתכת, והוכנסו לשימוש בצמיגים כבר בתחילת שנות ה-70. אולם בדופונט לא הסתפקו בזה. חיש מהר הם הבינו את הפוטנציאל האדיר של ההמצאה והחלו לחפש לה שימושים נוספים. כיום אפשר למצוא קוולר במגוון רב של מוצרים, ובהם אפודי מגן נגד כדורים, מדים חסיני אש לכבאים, צמיגים כמובן, כבלים וחבלים, ואפילו בכלי תחבורה הדורשים משקל נמוך וחוזק, ממכוניות מרוץ ועד חלליות.

ויתרה על לימודי רפואה לטובת הכימיה. סטפני קוולק במעבדות דופונט ב-1995 | צילום: HAGLEY MUSEUM AND ARCHIVE / SCIENCE PHOTO LIBRARY

קצת על קשרים כימיים

כדי להבין מדוע הקוולר שימושי כל כך, צריך להבין איך פועלים כמה מהקשרים הכימיים הבסיסיים – כלומר כוחות המשיכה שמחזיקים יחד אטומים או מולקולות ומחברים ביניהם. אחד החזקים ביניהם הוא הקשר הקוולנטי (Covalent), שמתרחש כששני אטומים משתפים ביניהם את האלקטרונים שלהם. דוגמא פשוטה לקשר קוולנטי אפשר לראות במולקולת מים (H₂O), שמורכבת משני אטומי מימן ואטום אחד של חמצן ביניהם. כל אחד מאטומי המימן קשור לאטום המימן בקשר קוולנטי.

הקשר הקוולנטי נפוץ במיוחד, שכן כל מולקולה היא למעשה קבוצת אטומים הקשורים ביניהם בקשרים קוולנטיים. זה מתחיל במולקולות פשוטות כמו מים, ונכון אפילו לחלבונים ענקיים, שמורכבים בדרך כלל מקבוצות של אלפי אטומים ואף למעלה מזה, המחוברים יחד בקשרים קוולנטיים.

קשר אחר שנפוץ מאוד בטבע, ובפרט בחלבונים וב-DNA, הוא קשר מימן. הוא פחות חזק מקשר קוולנטי, אך עדיין נחשב חזק מאוד, במיוחד בזוויות מסוימות. הקשר הזה מתקיים בין אטום מימן לאטום אחר – בדרך כלל חמצן או חנקן.

בקשר מימן, לשני האטומים יש מטען חשמלי חלקי הפוך. מטען חלקי אינו מטען חשמלי רגיל כמו בקשר יוני. הוא נוצר מכיוון שהאלקטרונים הקושרים את האטום לאטום שכן בקשר קוולנטי נוטים לפעמים "לחבב" יותר אחד מהם, ולשהות בקרבתו חלק גדול יותר של הזמן. מכיוון שלאלקטרון יש מטען חשמלי שלילי, נוצר מטען חשמלי בחלק מהמולקולה, גם אם המולקולה עצמה עשויה להיות נייטרלית. בקשר מימן, למימן יש מטען חלקי חיובי ולאטום השני מטען חלקי שלילי, ולכן הם נמשכים זה לזה.

הסוג השלישי של הקשרים הכימיים הקיימים בקוולר נקרא אינטראקציות פאי ארומטיות. האינטרקציות האלה נפוצות אף הן בחלבונים וב-DNA. הן מתרחשות בין שתי מערכות שבכל אחת מהן יש כמה אטומים המסודרים בצורת טבעת, או כמה טבעות. כל מבנה כזה מכונה טבעת ארומטית, או מערכת ארומטית, וקיימות למשל בגרפיט. האינטראקציות האלה חלשות יחסית, אך כאשר הרבה מהן פועלות ביחד על אותן מולקולות, השפעתן גדלה והופכת משמעותית.

סיבים חזקים פי חמישה מפלדה ביחס למשקלם. קסדה צבאית ואפוד מגן המבוססים על סיבי קוולר | צילום: USMC / SCIENCE PHOTO LIBRARY

הקוולר הוא פולימר, כלומר מולקולה ענקית המורכבת משרשרת של יחידות דומות. בקוולר מדובר בשתי מולקולות קצרות – פרה-פנילאנדיאמין (para-phenylenediamine) וטרפתלויל כלוריד ( terephthaloyl chloride) – שמחוברות זו לזו בקשר קוולנטי, וכאמור הפולימר מורכב משרשרת ארוכה מאוד של צמדים כאלה. 

פרה-פנילאנדיאמין (משמאל) וטרפתלויל כלוריד (במרכז) מתחברות בקשר אמידי ויוצרות את יחידת הבסיס של הפולימר המכונה קוולר | איור: Roland.chem, Wikipedia

עוד תכונה של היחידה שנוצרת משתי המולקולות היא שהיא שטוחה, כלומר כל האטומים בה נמצאים על מישור אחד. התכונה הזאת נוצרת מפני שטבעות ארומטיות (המשושים באיור), הן שטוחות, וגם הקשרים בין שתי טבעות (קשר אמידי – כינוי לקבוצה מסוימת של אטומים עם קשרים קוולנטיים ביניהן) הם שטוחים. לכן, כשקשר אמידי מחבר בין שתי טבעות, כל היחידה נשארת שטוחה. מכיוון שהיחידות קשורות זו לזו גם בקשרי אמיד, כל השרשרת שטוחה. זו אחת מכמה תכונות שמעניקות לקוולר את חוזקו ועמידותו.

השרשראות הפולימריות האלה מחוברות זו לזו בקשרי מימן. כך נוצר מעין רצף (או דף) שטוח של שרשראות שמחוברות יחד.

כמו גיליון של שרשראות שטוחות. השרשראות של יחידות הבסיס קשורות זו לזו בקשרי מימן | איור: Roland.chem, Wikipedia

גם אינטראקציות פאי ארומטיות משחקות תפקיד בקוולר, אך במישור אחר. בשונה מקשרי המימן שמחברים בין שתי שרשראות באותו "דף" שטוח, קשרי הפאי מחברים בין הדפים האלה ומחזקים אותם זה לזה. השילוב של שני סוגי הקשרים הבין-מולקולריים האלה (קשרי מימן ואינטראקציות פאי) – שמחברים כאן בין שרשראות, לצד המבנה השטוח והיציב של השרשראות עצמן, מעניקים לקוולר חוזק ועמידות גבוהים במיוחד.

השילוב בין סוגי הקשרים ומבנה המולקולות מעניק לקוולר את חוזקו. קשרי הפאי בין השכבות של סיבי הפולימר | איור:דניאל זיידמן

התגובה הכימית שיוצרת את שרשראות הקוולר מתרחשת בתמיסה נוזלית. אחרי שנוזל הפולימר נוצר, הוא מועבר דרך חורים קטנים, מה שמעצב ממנו סיבים, והסיבים האלה נארגים למעין בד.

לפי הקומיקס והסרטים שנוצרו בהשראתו, פיטר פרקר – הלוא הוא ספיידרמן – קיבל תכונות עכבישיות לאחר מפגש עם עכביש רדיואקטיבי. עם זאת, טוויית הקורים אינה חלק מהיכולות שרכש, אלא תוצאה של כימיה וטכנולוגיה – פיטר משתמש במחסנית שמלאה בנוזל עלום ובמנגנון שטווה ממנו קורים. אפשר אולי לשער שההסבר המדעי לקורי העכביש של ספיידרמן טמון בחוטי ניילון שנטווים מנוזל, בדומה לקוולר. כדי לקבל את זה צריך כמובן להתעלם מכמה עובדות חשובות, כמו קוטנה של המחסנית והרעילות הגבוהה של הנוזלים.

כך יוצרים סיבים מנוזל ‒ תגובה כימית דומה לזו של ייצור קוולר, אך מחומרים אחרים (באנגלית):

תהילה במקום כסף

מכיוון שקוולק פיתחה את החומר עבור חברה מסחרית, הפטנט על ההמצאה נרשם על שמה של חברת דופונט והממציאה לא נהנתה ממיליארדי הדולרים שהתאגיד הרוויח בזכותה. עם זאת, היא זכתה להערכה רבה מצד מעסיקיה וקנתה לעצמה שם גם בקהילה המדעית. בין השאר היא האישה היחידה שזכתה במדליית לבואזייה שמעניקה חברת דופונט, על שם אבי הכימיה האנליטית, והאישה הרביעית שנכנסה להיכל התהילה של הממציאים הלאומיים בארצות הברית.

בשנותיה המאוחרות הקדישה קוולק את זמנה לצעירים חובבי מדע, ואף פיתחה הדגמות מדעיות שחלקן עדיין בשימוש בהוראת מדעים בבתי הספר. בריאיון עיתונאי ב-1999 אמרה קוולק, "היחס לעבודתי מעניק לי סיפוק רב, ואני גם מרגישה שאני עושה דבר טוב מפני שבילדותי לא נחשפתי למדע. אני נדהמת כל פעם מחדש מכך שבסוף הפכתי לכימאית ומדענית. אני קוראת לצעירים לשאוף לכוכבים, ולא עולה בדעתי שאיפה נשגבת יותר מאשר להמציא דבר חדש".