הקריירה המזהירה והקצרה של אחד הכימאים המבריקים במאה העשרים הולידה לפני שמונים שנה את הניילון – חומר שחולל מהפכה בתעשייה הכימית
המחצית הראשונה של המאה העשרים הייתה תור הזהב של הכימיה המודרנית: מדענים גילו עוד ועוד פרטים מעניינים על מבנה האטום ועל הקשרים הכימיים ופיתחו שיטות חדשות וטכניקות מתקדמות לחקור את ההרכב והמבנה של מולקולות. ההתקדמויות האלה הולידו הבנה טובה יותר של החומרים שהטבע מורכב מהם, ואפשרויות לייצר חומרים חדשים, שאינם קיימים בטבע. בעיצומה של התקופה המסעירה הזו היה וולאס קרות'רס (Carothers) אחד הכוכבים העולים של הכימיה האמריקאית. הוא היה כל כך מוצלח, עד שהמנחה שלו בעבודת הדוקטורט, רוג'ר אדמס (Adams) אמר עליו כי "הוא הכימאי האורגני הטוב ביותר בארצות הברית".
מנהל החשבונות שהפך לכימאי
קרות'רס נולד ב-1896 בעיר ברלינגטון שבמדינת אייווה, למשפחה דלת אמצעים, ומגיל צעיר התעניין בכלי עבודה ובמכשירים שונים. לאחר התיכון למד בבית ספר למסחר שאביו לימד בו, והתמחה בהנהלת חשבונות. כשביקש ללמוד במכללה, מצבה הכלכלי של המשפחה שלח אותו למכללת טרקיו (Tarkio), מוסד קטן ולא מוכר במדינת מיזורי שפעל במימון הכנסייה הפרסביטריאנית – זרם נוצרי שאליו השתייכה המשפחה. הוא למד תחילה ספרות אנגלית, אבל הוקסם מלימודי הכימיה בהשפעת המרצה היחיד למדעים במכללה הקטנה. הוא הצטיין בלימודים עד כדי כך שעוד במהלך לימודי התואר הראשון כבר מונה ללמד כימיה, במקום המרצה שעזב.
כשסיים ב-1920 את התואר הראשון המשיך לתואר שני בכימיה אורגנית באוניברסיטת אילינוי, ואז נשאר שם ללימודי דוקטורט. הוא התמחה בכימיה אורגנית אבל למד גם כימיה פיזיקלית ומתמטיקה. אחד המאמרים הראשונים שפרסם תמך ברעיון שנחשב אז מהפכני, ולפיו אטומים יכולים להיקשר זה לזה באמצעות שיתוף האלקטרונים שלהם. בגיל 28 הצעיר המבטיח כבר היה דוקטור לכימיה אורגנית, ומיד לאחר סיום התואר מונה למרצה באוניברסיטת אילינוי. עד מהרה קיבל משרה נחשקת של חוקר ומרצה באוניברסיטת הרווארד. קרות'רס אהב מאוד את העבודה המדעית ונהנה מהחופש האקדמי לחקור מה שמעניין אותו, אבל גילה בהדרגה שהוא ממש לא אוהב את ההוראה בכיתה. הוא כל כך סבל מתפקיד המרצה עד שבסופו של דבר החליט לזנוח את הבועה האקדמית החמימה ולצאת להתנסות חדשה.
למד אנגלית והנהלת חשבונות עד שנשבה בקסמי הכימיה; אהב לחקור וסלד מהוראה. וולאס קרות'רס | צילום: ACS
מחקר בסיסי
צ'רלס סטיין (Stine) היה כימאי שעסק כל חייו המקצועיים בייצור חומרים לתעשייה, אבל הוא האמין בכל לבו שגם מחקר בסיסי, בלי יישום מסחרי נראה לעין, יכול להניב פריצות דרך שתהיה להן הצדקה כלכלית. סטיין, שנולד ב-1882, סיים בגיל 25 דוקטורט באוניברסיטת ג'ונס הופקינס, והצטרף לחברת דופונט (DuPont), שעסקה בייצור כימיקלים. הוא עסק במשך שנים בפיתוח של חומרי נפץ יציבים ובטוחים יותר לשימוש, ובהמשך בפיתוח שיטות חדשות לייצור כימיקלים תעשייתיים. ב-1924 הוא מונה לראש מחלקת הכימיקלים של החברה הענקית, ובתפקיד זה הצליח לשכנע את הנהלת החברה להגשים את החזון שלו ולהקים מחלקה קטנה למחקר בסיסי.
סטיין ביקש לגייס את קרות'רס למחלקה החדשה ולהעמידו בראש הקבוצה שתעסוק בסינתזה אורגנית. קרות'רס חשש תחילה מעבודה בתעשייה, אבל סלידתו הגוברת מהוראה וההבטחה של סטיין להעניק לו חופש מחקרי היטו את הכף יותר ויותר לכיוון דופונט. ההכרעה הסופית התקבלה לאחר שהובטח לו שכר של 6,000 דולר בשנה – כמעט כפליים משכרו בהרווארד. בפברואר 1928 נכנס וולאס קרות'רס למבנה המעבדות החדש והמשוכלל של דופונט בווילמינגטון שבמדינת דלאוור, בלי לדעת שהמחקר הבסיסי שלו שם ישנה את ההיסטוריה.
הובילו את השינוי בהסיטוריה של הכימיה. מימין: פול פלורי, צ'רלס סטיין, ומחליפו אלמר בולטון | מקור: ACS, אתר פרס נובל
חוליות בשרשרת
קרות'רס החל לעסוק בעבודה החדשה בתחום הפולימרים, חומרים הבנויים ממולקולות בצורת שרשראות ארוכות של יחידות החוזרות על עצמן, ומקור שמם במילים היווניות "פּוֹלִי" (הרבה) ו"מֶר" (יחידה). זמן לא רב קודם לכן גילו מדענים כי חומרי טבע רבים, כמו עמילן, תאית וגומי, הם פולימרים.
בשנים הראשונות של המאה העשרים ניסו מדענים רבים לפתח במעבדה פולימרים סינתטיים, ואחת ההצלחות הראשונות הייתה הבקליט (Bakelite), שרשרת של טבעות פחמן שהניבה חומר דמוי פלסטיק. אבל למרות ההצלחה הראשונית, תחום הפולימרים המלאכותיים לא התקדם הרבה: הפולימרים היו קצרים יחסית, בין השאר משום שהחוקרים לא ידעו בדיוק איך המולקולות הקצרות מתחברות זו לזו ליצירת פולימר ארוך. ההצלחות המעטות הושגו בעיקר בניסוי וטעייה, לא בזכות תכנון מושכל של התגובות הכימיות.
כדי להבין טוב יותר כיצד נוצרים פולימרים התחיל קרות'רס ביצירת תגובות בין חומצות די-קרבוקסיליות, המכילות שתי קבוצות קרבוקסיל, COOH, לבין חומרים דיאוליים, המכילים שתי קבוצות OH. בתגובות כאלה נוצר בין המולקולות קשר אסטרי, שבו החיבור ביניהן הוא דרך קבוצה המכונה אסטר (Ester) ומורכבת מאטום פחמן ושני אטומי חמצן (-COO-) המסודרים בצורה מסוימת. הוא בחר בתגובה כזו משום שחומרים רבים בטבע הם אסטרים, ותוך זמן קצר אכן הצליח להפיק מהם פולימרים ארוכים יחסית, בעלי משקל מולקולרי של כ-4000 יחידות (מקביל בערך ל-4000 אטומי מימן, או כ-330 אטומי פחמן).
להוציא את המים
הפולימרים שקרות'רס הפיק היו מעניינים מבחינה מדעית, אבל הוא הרגיש שעם עוד קצת מאמץ יוכל להפיק פולימרים במשקל גדול פי עשרה ויותר. הוא ידע שביצירת הקשר האסטרי משתחררת לתמיסה מולקולת מים, ושיער כי הצטברות המים היא שמפריעה להתארכות הפולימר.
בשלב זה הצטרף לקבוצת המחקר שלו חוקר צעיר בשם ג'וליאן היל (Hill), והוא הציע להשתמש במכשיר מדעי חדש יחסית – מזקקה מולקולרית. המכשיר צויד במשאבת ואקום שאיפשרה לסלק ממיכל התגובה חומרים מסוימים, במקרה זה את מולקולות המים. היל וקרות'רס ניסו ליצור את הפולימרים האסטרים במזקקה כזו, ואכן ראו שסילוק המים מאפשר להם לייצר פולימר במשקל של 12,000 יחידות מולקולרית. כשהיל נגע עם מקל זכוכית בתמיסה החמה עם הפולימר הוא משך ממנה סיבים דקיקים. כשהם התקררו שמחו החוקרים לגלות שבידיהם סיבים חזקים וגמישים – הסיבים המלאכותיים הראשונים.
היל וקרות'רס ייצרו בשיטה החדשה סוגים שונים של סיבים, אבל למרות שהם היו מעניינים מבחינה מדעית, לאף אחד מהם לא היה שימוש מעשי – הסיבים האסטריים הותכו במים חמים והתמוססו בנוזלים אורגניים רבים, כך שלא היה מעשי לייצר מהם אריגים, למשל. הלחץ להפיק מוצר שימושי גבר לאחר שסטיין עזב את תפקידו, ובמקומו מונה אלמר בולטון (Bolton), שהיה חסיד גדול של מדע יישומי, המניב הכנסות לחברה.
בניסיון לשפר את איכות הסיבים החליפו החוקרים את הדיאולים בדיאמידים, כלומר חומרים המכילים שתי קבוצות אמיד (NH2). הסיבים הפוליאמידים שהתקבלו היו מסיסים פחות ועמידים יותר לחום, אבל עדיין לא ברמה שימושית.
החליפו בהצלחה את סיבי המשי, ומשמשים במגוון רחב מאוד של מוצרים. חוטי ניילון | צילום: Shutterstock
רואים 6-6
קרות'רס קצת נואש מהסיבים המלאכותיים ואפילו עזב את הנושא לזמן מה, אבל חזר אליו בעידודו של בולטון, שהיה משוכנע כי אכן אפשר לייצר סיבים מלאכותיים שימושיים, ואף צירף לצוותו כימאי מתמטי, פול פלורי (Flory), שהחל לחקור את ההיבטים המתמטיים בתהליך הכימי של ייצור פולימרים ולהוסיף תובנות משלו. קרות'רס הכין מגוון רחב של חומצות די-קרבוקסיליות ושל חומרים די-אמידים, והסתער על הבעיה במשנה מרץ. הפעם זה הצליח: בפברואר 1935, אחרי שבע שנים של ייצור פולימרים, הוא ייצר סיב שקיבל את השם הסתמי 66, משום שכל אחד משני מרכיביו הכיל ששה אטומי פחמן.
הפולימר החדש יוצר מחומצה אדיפית (Adipic acid, שנוסחתה (CH2)4(COOH)2) ומהקסמתילן-דיאמין (Hexamethylenediamine, שנוסחתו H2N(CH2)6NH2). הסיבים שנוצרו ממנו ענו על כל הדרישות שהיה אפשר להציב להם: הם היו קלים, חזקים, גמישים, בעלי טמפרטורת התכה גבוהה, עמידים למים ואדישים לרוב הממסים האורגניים. בינגו!
לאחר כחצי שנה של בדיקות מקיפות של הסיבים האלה קבעו מומחי החברה שהסיבים החדשים יוכלו לשמש מעין תחליף משי, שהיה עד אז האריג השימושי ביותר למי שחיפש בד קל וחזק. הנהלת דופונט החליטה לתלות על סיבי הפלא את מלוא כובד משקלה, ולהתחיל בייצור מסחרי שלהם.
החברה מינתה צוותים גדולים של כימאים למצוא דרכים לייצר בהיקף מסחרי את חומרי הגלם, החומצה האדיפית וההקסמתילן-דיאמין, שעד אז יוצרו רק בכמויות קטנות לשימוש מעבדתי. צוות נוסף של כימאים ומהנדסים החל לשקוד על מתקן ייצור שבו ירקחו את הפולימר ויכיל מכונה שתמשוך ממנו את הסיבים ותקרר אותם. מתקני הייצור הוצבו במפעל חדש שהחברה הקימה בדלאוור, ויותר מ-230 כימאים ומהנדסים היו מעורבים בהקמתו ובפיתוח תהליכי הייצור. עלות הפרויקט נסקה ל-27 מיליון דולר – כמעט חצי מיליארד דולר בערכים של ימינו.
התהליך הנכון - התגובה הכימית של יצירת ניילון משני חומרי המוצא | איור: מריה גורוחובסקי
800,000 זוגות ביום
אחרי ההשקעה העצומה חיפשו בדופונט שם מסחרי קליט למוצר החדש והמבטיח. עובדי החברה שהתבקשו להציע שמות אפשריים הגישו יותר מארבע-מאות הצעות, בהן קרות'רון, על שם הממציא, ושמות כמו דופיל (Dufil) או פונטקס (Pontex), הנגזרים משם החברה. הצעה מבריקה נוספת הייתה Delawear – משחק מילים עם שם המדינה (Delaware) והמילה "ללבוש" (wear).
בסופו של דבר אף אחת מההצעות לא התקבלה, והנהלת החברה בחרה בשם Nylon. עם הזמן פשטו שמועות כי השם הוא קיצור של שמות הערים ניו יורק (NY) ולונדון, ואפילו ראשי תיבות של המשפט Now You Lousy Old Nippon (עכשיו אתה, זקן יפני עלוב), כקריאת תיגר על יפן, ששלטה אז בתעשיית המשי העולמית. אחד ממנהלי החברה סיפר לימים כי החברה בחרה במקור בשם Nuron, היפוך אותיות של no-run, במשמעות "אין קרעים ('רכבות') בגרביים", אבל נאלצה לשנותו בגלל שהיה דומה לשם של מוצר מסחרי של חברה אחרת, והחליפה אותיות כמה פעמים עד שהשם ניילון התקבע.
בספטמבר 1938 רשמה דופונט פטנט על הסיב החדש, ובדיוק לפני 80 שנה, ב-27 באוקטובר 1938, הציגה את המוצר החדש לציבור. מי שהציג אותו בפועל היה לא אחר מצ'רלס סטיין, שגייס את קרות'רס למחקר הפולימרים עשר שנים קודם לכן, וכעת היה סגן נשיא החברה.
מוצר הניילון הראשון היה סיבים קצרים למברשות שיניים, אבל עד מהרה החלה החברה לייצר את מה שיהיה למוצר הדגל שלה: גרביונים לנשים, חזקים ועמידים יותר מגרבי המשי. ב-14 במאי 1940 יצאו גרבי הניילון לשוק, ואפילו המנהלים האופטימיים ביותר בדופונט לא חזו את ההצלחה: 800,000 זוגות נמכרו ביום אחד! בתוך חודשים אחדים כבשו גרבי הניילון שליש מהשוק העולמי.
הסיב שניצח במלחמה
ההצלחה המסחרית של גרבי הניילון הייתה אדירה – אבל קצרה. בדצמבר 1941 הצטרפה ארצות הברית למלחמת העולם השנייה, וחברת דופונט תרמה את חלקה. במקום גרבי נשים היא רתמה את כל כושר ייצור הניילון לציוד צבאי: מצנחים, חבלים, שכמיות, כילות נגד יתושים, יריעות לחיזוק צמיגים וחלקים אחרים של כלי רכב, מטוסים ומערכות נשק יוצרו בכמויות גדלות והולכות. בתחילת המלחמה תפסה הכותנה שמונים אחוז משוק הסיבים העולמי, ובסיומה כבר החזיקו מוצרי הניילון ברבע מהשוק על חשבון הכותנה, והניילון זכה בתיאור "הסיב שניצח במלחמה".
לאחר המלחמה המשיכה חברת דופונט לייצר סוגים שונים של ניילון, למגוון רחב של שימושים: סיבי מברשות, חוטים, ביגוד והנעלה. גם מוצרי מטבח כמו שקיות האפייה העמידות בחום יוצרו מניילון. נוסף על ייצור סיבים פיתחו כימאי החברה סוגי ניילון המיועדים ליציקה, ושימשו בייצור טווח עצום של מוצרים, ממסרקי שיער, דרך ברגים ועד חלקי רובים.
כיום מייצרים בכל שנה עשרות מיליוני טונות של סיבי פוליאמיד, כלומר מוצרי ניילון וסיבים דומים, והשוק העולמי מגלגל כ-25 מיליארד דולר בשנה.
בעוד באנגלית המילה "ניילון" הפכה שם נרדף לגרבי נשים, בעברית היא הפכה מילה כללית לתיאור שקיות פלסטיק, אף על פי שכיום רוב רובן של השקיות אינן מיוצרות מניילון אלא מפולימרים אחרים, בעיקר פוליאתילן.
אבדה כבדה
למרבה הצער, מי שלא זכה להנות מפירות ההצלחה האדירה היה וולאס קרות'רס עצמו. זמן קצר לאחר פיתוח הניילון הקריירה שלו נסקה לגבהים חדשים: הוא ערך עיתונים מדעיים, ישב בוועדות חשובות וכימאים מכל העולם ביקשו את עצתו בפיתוח תהליכים וחומרים. ב-1936, כשהוא בן 40 בלבד, נבחר לאקדמיה הלאומית האמריקאית למדעים. הוא לא היה רק אחד החברים הצעירים בגוף היוקרתי, אלא גם הכימאי הראשון שנבחר מהתעשייה, ולא ממוסד אקדמי.
חייו האישיים, לעומת זאת, היו סוערים מאוד וידעו טלטלות רבות. הוא ניהל רומן עם אשה נשואה והביא לפירוק נישואיה. הוא ניסה לסייע כלכלית להוריו והביא אותם לגור עמו, אך ריבים תכופים ביניהם, בין השאר על רקע הרומן ההוא, גרמו להם לעזוב ולשוב לביתם באיווה. חמור מכל, הוא החל לסבול מדכאונות קשים, ולעיתים היה נעלם מהבית והמעבודה לתקופות ארוכות בלי הסבר, ככל הנראה לטיפול פסיכיאטרי.
בתחילת 1936 היה נראה לרגע שהחייו עולים על מסלול אופטימי יותר: הוא נשא לאישה את הלן סוויטמן (Sweetman), כימאית שעבדה בדופונט בתחום רישום הפטנטים, והיה בשיא הצלחתו המקצועית. אבל הדכאונות המשיכו לרדוף אותו, וגם אשפוז ממושך לא הועיל. מצבו החמיר בתחילת 1937, כשאחותו האהובה מתה מסיבוך של דלקת ריאות. ב-28 באפריל 1937, למחרת יום הולדתו ה-41, הוא בא לעבודה בתחנת הנסיונות של דופונט בפילדלפיה. לאחר מכן חזר לחדרו במלון סמוך, ומזג לעצמו כוס לימונדה עם ציאניד. ככימאי הוא ידע היטב שחומציות הלימון תגביר ותזרז את השפעת הרעל. חדרנית מצאה את גופתו למחרת היום.
"כולנו קיווינו שהוא ישוב יום אחד לעבודה באוניברסיטה", כתב נשיא אוניברסיטת הרווארד, ג'יימס קוננט (Conant) בהספד לקרות'רס. "התפטרותו מהאוניברסיטה כדי לעבוד בדופונט הייתה הפסד של הרווארד אך רווח לעולם הכימיה. מותו הוא אבדה כבדה לכימיה האקדמית, כמעט כמו לכימיה התעשייתית".
מהפכה תפיסתית
שבעה חודשים לאחר מותו של קרות'רס ילדה הלן את בתם, ג'יין. רק שנה וחצי לאחר מותו השלימה חברת דופונט את רישום הפטנט והציגה לעולם את המוצר שהוא פיתח. קרות'רס הותיר אחריו מאמרים רבים בכימיה ועשרות פטנטים שרשם, רובם על שם החברה שבה עבד. אף על פי ששמו מוזכר לעיתים כמי שהיה מועמד לפרס נובל, בארכיון של ועדת הפרס אין עדות שמועמדותו הוגשה אי פעם. לעומת זאת, פול פלורי, שנחשף אצלו לעולם הפולימרים, חזר לאקדמיה,המשיך לפתח את הידע על פולימרים וייצורם, וניסח במשוואות מתמטיות ופיזיקליות את חוקי הפולימרים. ב-1974 הוענק לו פרס נובל בכימיה על עבודתו, פרס שלקרות'רס ודאי היה חלק חשוב בו.
סיבי הניילון של קרות'רס לא רק הציגו לעולם מוצר חדש, שימושי ומועיל מאוד, הם סייעו לחולל שינוי תפיסתי עמוק בעולם הכימיה. הניילון היה המוצר הסינתטי הראשון שזכה לייצור כה נרחב, ודחק את השימוש בחומר טבעי, במקרה זה משי, בזכות העובדה שהציג חלופה טובה, זמינה וזולה יותר. המהפכה הזו סייעה להחדיר לתודעה את העובדה שהאנושות אינה חייבת להסתמך עוד רק על מה שנתן לה הטבע – האדם יכול לפתח בעצמו חומרים חדשים, לעיתים אף מוצלחים מהמקור, בזכות חשיבה מקורית והבנה מעמיקה של תהליכים, גם אם לעתים נראה תחילה שלא יהיה להם שימוש מעשי.
סרטון על ייצור הניילון:
