CHƯƠNG 6 LỤA VÀ NYLON

CÁC PHÂN TỬ chất nổ dường như rất xa lạ với hình ảnh sang trọng, mềm mại, mượt mà và óng ánh mà từ lụa gợi ra. Thế nhưng các chất nổ và lụa lại có mối quan hệ hóa học khá gần gũi, và chính sự liên hệ này đã mở ra sự phát triển của một loại vật liệu mới, một loại vải mới, và cho đến thế kỷ 20, là cả một ngành công nghiệp mới.

Lụa từ lâu đã được tôn xưng là loại vải của người giàu. Ngay cả với rất nhiều loại vải tự nhiên và nhân tạo sẵn có ngày nay, lụa vẫn được xem là không thể thay thế. Tất cả những tính chất khiến lụa trở thành mặt hàng đáng mơ ước - vô cùng mềm mại, ấm khi trời lạnh và mát khi trời nóng, nước vải sáng bóng, và khả năng bám màu nhuộm vô cùng đẹp mắt - đều xuất phát từ cấu trúc hóa học của nó. Hơn nữa, chính cấu trúc hóa học của loại vải tuyệt vời này đã mở ra những con đường giao thương giữa phương Đông và phần còn lại của thế giới.

Sự lan truyền của lụa

Lịch sử của lụa bắt đầu từ khoảng 4500 năm trước. Truyền thuyết kể lại rằng vào khoảng năm 2640 TCN, nguyên phi Hsi-ling-shih (Tây Lăng Thị) của Hoàng Đế(6), đã phát hiện ra một sợi tơ mảnh tuyệt đẹp có thể được kéo ra từ một chiếc kén tằm tình cờ rơi vào tách trà mà bà đang thưởng thức. Dù câu chuyện này có phải là huyền thoại hay không, thì sự thật là công việc sản xuất lụa đã khởi nguồn tại Trung Quốc với việc nuôi tằm, Bombyx mori, một loài sâu nhỏ có màu xám và chỉ ăn lá cây dâu, Morus alba.

Phổ biến ở Trung Quốc, một con bướm tằm đẻ khoảng 500 trứng trong thời gian năm ngày và sau đó chết. Một gram những quả trứng nhỏ xíu đó sẽ nở thành hơn 1000 con tằm, tất cả chúng sẽ ăn hết khoảng 36 kilogram lá dâu để nhả ra khoảng 200 gram tơ tằm thô. Ban đầu, những quả trứng này phải được giữ ở nhiệt độ khoảng 18°C, sau đó từ từ tăng đến nhiệt độ khoảng 25°C để trứng nở. Sâu non được giữ trên những chiếc nong sạch sẽ và thoáng gió, tại đây chúng ăn ngấu nghiến lá dâu và thay da vài lần. Sau khoảng một tháng, các con tằm được đưa lên các né để bắt đầu nhả tơ thành kén, quá trình này kéo dài trong vài ngày. Một sợi tơ mảnh mai liên tục được nhả ra từ miệng con tằm, cùng với một chất dịch kết dính các phần tơ lại. Con tằm di chuyển liên tục đầu của nó theo một đường cong hình số 8, nhả tơ tạo thành chiếc kén và dần biến bản thân nó thành nhộng.

Để thu được tơ, những chiếc kén được đun nóng để giết chết các con nhộng bên trong và sau đó được đổ vào nước sôi để hòa tan chất dịch kết dính. Sau đó tơ sạch được kéo ra từ kén và quay thành từng cuộn. Chiều dài của một sợi tơ kéo được từ một chiếc kén có thể dài từ 365 đến hơn 2.743 mét.

Nghề nuôi tằm và việc sử dụng loại vải lụa dệt từ tơ tằm đã lan tỏa rất nhanh chóng trên toàn Trung Quốc. Ban đầu, lụa tơ tằm chỉ dành cho thành viên của hoàng gia và tầng lớp quý tộc. Sau đó, mặc dù giá lụa vẫn rất cao, thường dân cũng được phép mặc các loại quần áo làm từ lụa. Dệt một cách hoàn hảo, hình thêu phong phú, bắt màu nhuộm vô cùng đẹp mắt, vải lụa tơ tằm được đánh giá rất cao. Nó đã trở thành một mặt hàng có giá trị cao trong thương mại và trao đổi, và thậm chí còn được sử dụng như tiền tệ - phần thưởng hoặc các loại thuế đôi khi được trả bằng lụa tơ tằm.

Trong nhiều thế kỷ, rất lâu sau khi mạng lưới những tuyến đường thương mại tại Trung Á được mở ra, thường được biết đến với tên gọi chung là Con đường Tơ lụa, người Trung Quốc vẫn giữ bí mật các chi tiết trong kỹ thuật sản xuất lụa tơ tằm. Các lộ tuyến của Con đường Tơ lụa thay đổi qua các thế kỷ, chủ yếu phụ thuộc vào động thái chính trị và mức độ an toàn của các khu vực mà nó đi qua. Lộ tuyến dài nhất của nó lên đến hơn 9.656 kilomet từ Bắc Kinh, phía đông Trung Quốc, qua Byzantium (sau này là Constantinople, hiện tại là Istanbul) ở Thổ Nhĩ Kỳ ngày nay, và đến tận vùng Antioch và Tyre của khu vực Địa Trung Hải, với các nhánh đường chính khác dẫn đến phía bắc Ấn Độ. Một phần của Con đường Tơ lụa có lịch sử lên đến hơn 4.500 năm.

Ngành thương mại lụa tơ tằm lan tỏa khá chậm, nhưng đến thế kỷ thứ nhất TCN, những chuyến hàng lụa tơ tằm đã thường xuyên đến được phương Tây. Tại Nhật Bản, nghề nuôi tằm bắt đầu vào khoảng năm 200 SCN và phát triển độc lập với phần còn lại của thế giới. Người Ba Tư đã nhanh chóng trở thành trung gian trong ngành thương mại lụa tơ tằm. Nhằm duy trì vị trí độc tôn trong sản xuất, người Trung Quốc đã áp dụng luật lệ rằng tất cả những hoạt động buôn lậu sâu tằm, trứng sâu tằm hoặc hạt giống dâu đều bị xử tội chết. Tuy vậy theo truyền thuyết kể lại, vào năm 552, hai tăng lữ dòng Nestorian đã xoay xở để mang được các cây gậy rỗng ruột đựng đầy trứng sâu tằm và hạt giống cây dâu từ Trung Quốc về đến Constantinople. Điều này đã mở ra con đường cho ngành sản xuất lụa tơ tằm tại phương Tây. Nếu câu chuyện này là sự thật, thì có lẽ nó là ví dụ đầu tiên trong lịch sử nhân loại về hoạt động gián điệp công nghiệp.

Nghề nuôi tằm trở nên phổ biến trên toàn khu vục Địa Trung Hải, và đến thế kỷ 14 đã trở thành một ngành công nghiệp thịnh vượng tại Italy, đặc biệt là ở miền bắc, nơi các thành phố như Venice, Lucca và Florence trở nên nổi tiếng với các sản phẩm lụa thêu kim tuyến và nhung tơ tuyệt đẹp. Việc xuất khẩu lụa từ những vùng này đến các nước Bắc Âu đã được xem là nền tảng tài chính cho phong trào Phục Hưng, khởi đầu tại Italy trong khoảng thời gian này. Những thợ dệt lụa chạy trốn khỏi Italy đến Pháp vì những bất ổn chính trị đã giúp nước này trở thành một thế lực trong ngành công nghiệp lụa. Năm 1466, vua Louis XI đã ban hành luật miễn thuế cho các thợ dệt lụa tại thành phố Lyons, ra lệnh trồng cây dâu và yêu cầu sản xuất lụa tơ tằm cho hoàng gia. Trong năm thế kỷ tiếp theo, nghề nuôi tằm ở châu Âu tập trung tại Lyons và các khu vực lân cận. Macclesfield và Spittalfield ở Anh đã trở thành các trung tâm chính sản xuất những loại lụa tinh xảo khi các thợ dệt người Pháp và người Bỉ đã đến những vùng này trong cuộc đào thoát khỏi sự đàn áp tôn giáo ở lục địa vào khoảng cuối thế kỷ 16.

Các nỗ lực sản xuất lụa tại Bắc Mỹ đã không thành công về mặt thương mại. Nhưng việc quay tơ và dệt lụa, những quá trình có thể được máy móc hóa, đã phát triển tại đây. Vào những năm đầu thế kỷ 20, nước Mỹ đã trở thành một trong những quốc gia sản xuất các sản phẩm lụa lớn nhất thế giới.

Hóa học của bóng bẩy và lóng lánh

Tơ, cũng như các loại sợi động vật khác như len và tóc, là một loại protein. Các protein được cấu thành từ 22 α-amino acid khác nhau, cấu trúc hóa học của một α-amino acid bao gồm một nhóm amino (NH2) và một nhóm acid hữu cơ (COOH) được sắp xếp như hình dưới, với nhóm NH2 gắn lên carbon α, là carbon ngay cạnh nhóm COOH.

Cấu trúc tổng quát của một α-amino acid

Cấu trúc này thường được vẽ đơn giản hơn dưới dạng rút gọn:

Dạng rút gọn của cấu trúc phân tử α-amino acid

Trong cấu trúc này, R tượng trưng cho một nhóm chức khác, hoặc một sự kết hợp các nguyên tử cho mỗi amino acid. Có 22 cấu trúc khác nhau của R, và do đó có tổng cộng 22 loại amino acid. Nhóm R cũng được gọi là nhóm biên hoặc chuỗi biên. Chính cấu trúc của nhóm biên mang lại các tính chất hết sức độc đáo của lụa - và thực sự là các thuộc tính của protein.

Nhóm biên nhỏ nhất là nguyên tử hydro, cũng là nhóm duy nhất chỉ chứa một nguyên tử. Khi nhóm R này là H, tên của amino acid là glycine, và có cấu trúc như sau:

Các nhóm biên đơn giản khác là CH3 và CH2OH, tạo thành các amino acid tương ứng là alanine và serine.

Ba amino acid này có các nhóm biên nhỏ nhất trong số các amino acid, và chúng cũng là các amino acid phổ biến nhất, chiếm đến 85% cấu trúc tổng thể của lụa. Việc các nhóm biên trong các amino acid tạo thành lụa có kích thước nhỏ là một yếu tố quan trọng tạo nên sự mềm mại của lụa. Để so sánh, cần lưu ý rằng các amino acid khác có những nhóm biên lớn và phức tạp hơn nhiều.

Cũng như cellulose, lụa là một polymer - một phân tử rất lớn tạo thành từ các đơn vị tuần hoàn. Nhưng khác với polymer cellulose của bông mà các đơn vị tuần hoàn là hoàn toàn giống nhau, các đơn vị tuần hoàn của polymer protein, amino acid, lại có sự khác biệt nhất định. Phần cấu trúc amino acid tạo thành mạch chính (xương sống) của phân tử polymer là giống nhau, nhưng các nhóm biên của mỗi amino acid lại khác nhau.

Hai amino acid kết hợp với nhau bằng cách loại bỏ phân tử nước giữa chúng, một nguyên tử H từ nhóm NH2 hoặc đầu amino và một nhóm OH từ COOH hoặc đầu acid. Mối liên kết thu được giữa hai phân tử amino acid được gọi là nhóm amide. Liên kết hóa học giữa carbon của một amino acid và nitơ của một amino acid khác được gọi là liên kết peptide.

Tất nhiên, tại một đầu của phân tử mới này vẫn còn một nhóm OH có thể tạo thành một liên kết peptide với một phân tử amino acid khác, và ở đầu kia vẫn còn một nhóm NH2 có thể tạo ra một liên kết peptide khác với một amino acid khác.

Nhóm amide

thường được mô tả dưới dạng rút gọn, chiếm ít không gian hơn là:

Nếu ta thêm vào hai phân tử amino acid nữa thì sẽ có bốn phân tử amino acid nối với nhau thông qua liên kết amide.

Với bốn amino acid, ta có bốn nhóm biên, được biểu diễn trong hình trên là R, R’, R’’, R’’’. Các nhóm biên này có thể hoàn toàn giống nhau, hoặc khác một phần, hoặc khác hoàn toàn. Dù chỉ có bốn amino acid trong chuỗi, nhưng có rất nhiều cách kết hợp khả dĩ. R có thể là bất kỳ phân tử nào trong 22 amino acid, R’ cũng có thể là phân tử bất kỳ trong 22 amino acid, và tương tự đối với R’’ và R’’’. Điều này có nghĩa là số khả năng kết hợp là 224 hay 234.256 khả năng. Ngay cả một phân tử protein tương đối nhỏ là insulin, hormone tiết ra bởi tuyến tụy có nhiệm vụ điều khiển quá trình chuyển hóa glucose trong cơ thể, được cấu thành bởi 51 amino acid, như vậy số khả năng kết hợp các amino acid trong insulin là 2251 (2,9 x 1068), hay là hàng tỷ tỷ cách.

Ước tính khoảng 80-85% các amino acid của lụa là một chuỗi lặp đi lặp lại theo thứ tự xác định của glycine-serine-glycine-alanine-glycine-alanine. Chuỗi polymer protein của lụa có sự sắp xếp theo dạng zig zag, với các nhóm biên tuần tự thay đổi về mỗi phía của mạch chính như sau:

Chuỗi protein của lụa có dạng zig zag; các nhóm biên R tuần tự nằm ở hai bên của mạch chính

Những chuỗi phân tử protein này nằm song song và ngược hướng với chuỗi ngay cạnh nó. Chúng được giữ chắc với nhau bằng những lực hút chéo giữa các chuỗi, thể hiện bằng các đường đứt đoạn trong hình dưới đây.

Lực hút tương tác giữa các chuỗi protein cạnh nhau giúp giữ chắc các phân tử lụa lại với nhau.

Điều này tạo thành một cấu trúc tấm có nếp gấp, trong đó các nhóm biên R được sắp xếp tuần tự phía trên và dưới của tấm. Có thể thể hiện cấu trúc này như sau:

Cấu trúc tấm có nếp gấp. Các đoạn in đậm thể hiện các chuỗi amino acid của mỗi phân tử protein. R là các nhóm biên nằm phía trên tấm, và R’ là các nhóm biên nằm bên dưới tấm. Các đường đứt nét thể hiện lực hút tương tác giữ các chuỗi protein với nhau.

Tính linh hoạt và đàn hồi cao từ cấu trúc tấm có nếp gấp giúp lụa chịu được sự kéo giãn và giải thích cho rất nhiều tính chất vật lý khác của lụa. Các chuỗi protein nằm sát nhau; các nhóm biên R nhỏ trên bề mặt có kích thước khá giống nhau, tạo nên bề mặt đồng nhất, chịu trách nhiệm cho sự mịn màng của lụa. Cũng chính bề mặt đồng nhất này đóng vai trò như một tấm phản xạ ánh sáng, giúp lụa có độ sáng bóng đặc trưng. Có thể nói rằng, rất nhiều tính chất quý báu của lụa được tạo nên từ các nhóm biên nhỏ bé trong cấu trúc protein của nó.

Những người am hiểu lụa cũng thường ca ngợi độ lóng lánh của vải lụa, đặc điểm này có được do sự thật là không phải tất cả các phân tử lụa đều nằm trong cấu trúc tấm có nếp gấp. Những phân tử bất thường này làm đứt đoạn các tia ánh sáng phản xạ, tạo nên những điểm lóe sáng trên bề mặt lụa. Ngoài ra, lụa thường được xem là vượt trội trong khả năng hấp thụ các loại thuốc nhuộm tự nhiên và nhân tạo, rất dễ để tạo màu sắc cho lụa. Một lần nữa, tính chất này có được từ những cấu trúc lụa không nằm trong đoạn chuỗi có thứ tự xác định của cấu trúc tấm xếp lớp. Trong lụa còn lại khoảng 15-20% các amino acid khác - không do glycine, alanine, và serine tạo nên - với một số phân tử mà nhóm biên của chúng có thể dễ dàng liên kết hóa học với các phân tử thuốc nhuộm, tạo nên những sắc thắm, lộng lẫy và độ bền màu cao góp phần vào sự nổi tiếng của lụa. Chính hai tính chất tự nhiên của lụa - các nhóm biên nhỏ xếp tuần tự trên dưới tạo thành cấu trúc tấm với các nếp gấp giúp lụa có độ chắc bền, mềm mại và láng bóng, cùng với các phân tử amino acid đa dạng còn lại tạo nên độ lóng lánh và khả năng bắt thuốc nhuộm tuyệt vời - đã giúp lụa tơ tằm trở thành loại vải đáng mơ ước nhất trong suốt nhiều thế kỷ.

Tìm kiếm lụa tổng hợp

Những tính chất đặc trưng của lụa tơ tằm rất khó sao chép. Nhưng bởi lụa rất đắt và có nhu cầu rất lớn, nên từ khoảng cuối thế kỷ 19, đã có rất nhiều cố gắng để tạo ra phiên bản lụa tổng hợp. Lụa là một phân tử khá đơn giản - chỉ là sự lặp lại của những đơn vị cấu trúc tương đồng. Tuy vậy việc kết nối các đơn vị cấu trúc này lại với nhau một cách trật tự và cả ngẫu nhiên như cấu trúc của lụa tự nhiên lại là một vấn đề hóa học rất hóc búa. Ở một quy mô rất nhỏ, các nhà hóa học hiện đại ngày nay có thể sao chép và nhân rộng cấu trúc của một phân tử protein xác định, nhưng quá trình này đòi hỏi rất nhiều thời gian và độ chính xác. Một phân tử protein của lụa tổng hợp theo cách này trong phòng thí nghiệm sẽ đắt hơn lụa tự nhiên rất nhiều lần.

Cho đến tận thế kỷ 20, sự phức tạp trong cấu trúc hóa học của lụa vẫn chưa được biết đến, do vậy, các nỗ lực ban đầu để tạo nên phiên bản tổng hợp của lụa thường là kết quả của những sự tình cờ may mắn. Khoảng cuối những năm 1870, bá tước người Pháp Hilaire de Chardonnet, trong khi theo đuổi sở thích nhiếp ảnh, đã phát hiện ra rằng dung dịch colloidon - vật liệu nitrocellulose được dùng để phủ lên các tấm ảnh - có thể tạo thành một khối kết dính, từ đó có thể kéo ra được những sợi dài và mảnh khá giống với các sợi tơ. Điều này gợi cho Chardonnet những sự việc ông đã nhìn thấy một vài năm trước đó: khi còn là sinh viên, ông đã đi cùng thầy của mình, nhà bác học Louis Pasteur vĩ đại, đến Lyons, phía nam nước Pháp, để tìm hiểu về một loại bệnh trên sâu tằm đang gây ra những vấn đề vô cùng khó khăn cho ngành công nghiệp tơ lụa của Pháp. Mặc dù không tìm ra nguyên nhân gây bệnh, Chardonnet đã dành nhiều thời gian để nghiên cứu sâu tằm và cách chúng nhả tơ. Với những ký ức đó, ông đã thử ép dung dịch colloidon qua một loạt các lỗ nhỏ. Với cách này, Chardonnet đã tạo ra bản sao khả dĩ đầu tiên của sợi tơ tằm.

Các thuật ngữ tổng hợp và nhân tạo thường được dùng thay thế cho nhau trong ngôn ngữ ngày thường và thường được xếp vào các từ đồng nghĩa trong nhiều từ điển. Tuy nhiên về mặt hóa học, chúng có những ý nghĩa khác biệt. Với các mục đích của chúng ta, tổng hợp mang ý nghĩa một hợp chất được tạo thành bởi con người thông qua các phản ứng hóa học. Sản phẩm này có thể là một hợp chất có hoặc không có trong thiên nhiên. Nếu nó hiện diện trong thiên nhiên, phiên bản tổng hợp sẽ hoàn toàn tương đồng về mặt hóa học với phiên bản thiên nhiên. Ví dụ như, ascorbic acid, vitamin C, có thể được tổng hợp trong phòng thí nghiệm hoặc trong nhà máy; và vitamin C tổng hợp có cấu trúc hóa học hoàn toàn giống với vitamin C tự nhiên.

Trong khi đó, thuật ngữ nhân tạo để chỉ về tính chất của hợp chất. Một hợp chất nhân tạo có cấu trúc hóa học khác với một hợp chất, nhưng có các tính chất đủ giống để có thể thay thế vai trò của hợp chất đó. Ví dụ, một chất làm ngọt nhân tạo có cấu trúc hóa học khác phân tử đường, nhưng lại có tính chất quan trọng - trong trường hợp này là vị ngọt - giống với đường. Các hợp chất nhân tạo thường do con người tạo nên và do đó cũng là các hợp chất tổng hợp, tuy nhiên chúng không cần thiết phải được tổng hợp. Một vài chất làm ngọt nhân tạo là những hợp chất sẵn có trong tự nhiên.

Sản phẩm mà Chardonnet đã tạo ra là lụa nhân tạo, không phải lụa tổng hợp mặc dù nó đã được tổng hợp nên. (Theo định nghĩa của chúng ta, tơ tổng hợp phải có cấu trúc hóa học tương đồng với tơ tằm tự nhiên). Lụa Chardonnet, như nó đã được biết đến, đã thể hiện được một số tính chất của lụa tơ tằm, cho dù không phải là tất cả. Dù mềm mại và lấp lánh, nhưng đáng tiếc là nó lại rất dễ cháy - một tính chất không mong muốn đối với một loại vải. Các sợi lụa Chardonnet được kéo ra từ dung dịch nitrocellulose, và như ta đã thấy, phiên bản nitrate của cellulose rất dễ cháy thậm chí gây nổ, phụ thuộc vào mức độ nitrate hóa của phân tử.

Một phần của phân tử cellulose. Các mũi tên ở đơn vị glucose nằm giữa thể hiện các nhóm OH có thể được nitrate hóa trên mỗi đơn vị glucose dọc theo chuỗi cellulose.

Chardonnet được cấp bằng sáng chế cho quy trình của mình vào năm 1885 và bắt đầu sản xuất lụa Chardonnet vào năm 1891. Nhưng tính dễ cháy của loại lụa này đã trở thành nhược điểm trí mạng khiến nó không phát triển được. Trong một tai nạn, một quý ông vô tình làm rơi tàn điếu xì gà của mình vào chiếc váy làm từ lụa Chardonnet của người bạn nhảy. Bộ váy lập tức bị thiêu rụi trong những ánh lửa lóe sáng và một làn khói trắng; số phận của quý bà này đã không được ghi chép lại. Mặc dù do tai nạn này và một số thảm họa khác đã khiến các nhà máy của Chardonnet phải đóng cửa, nhưng ông đã không từ bỏ loại lụa nhân tạo của mình. Năm 1895, ông sử dụng một quy trình hơi khác biệt so với quy trình ban đầu, liên quan đến một hợp chất khử nitrate, để tạo ra một loại lụa nhân tạo an toàn hơn nhiều từ cellulose, với khả năng cháy chỉ tương đương vải bông thông thường.

Một phương pháp khác được Charles Cross và Edward Bevan phát minh vào năm 1901 tại Anh, tạo thành một dung dịch gọi là viscose vì có độ nhớt rất lớn (viscosity). Khi viscose dạng lỏng được ép qua những lỗ nhỏ của đĩa phun vào một bể acid, tạo thành cellulose dưới dạng những sợi mảnh gọi là tơ viscose. Quy trình công nghệ này được cả hai công ty của Mỹ sử dụng: công ty Viscose, thành lập năm 1910, và công ty Du Pont Fibersilk (sau đó đổi tên thành Tập đoàn Du Pont), thành lập năm 1921. Đến năm 1938, hơn 136.000 tấn sợi viscose đã được sản xuất mỗi năm, đáp ứng cho nhu cầu ngày càng tăng của loại sợi tổng hợp có độ mềm mại và láng bóng đầy quyến rũ rất giống với sợi tơ tằm này.

Quy trình tạo viscose vẫn được sử dụng đến tận ngày nay, là quy trình chính sản xuất ra các loại rayon - loại sợi nhân tạo cũng như sợi viscose, được tạo thành từ cellulose. Dù vẫn là polymer của các đơn vị cấu trúc β-glucose, nhưng cellulose trong rayon được tạo thành với một lực kéo xoắn nhẹ giúp cho sợi có độ óng ánh rất cao. Rayon có màu trắng tinh khiết và cấu trúc hóa học tương đồng với sợi bông, và cũng có thể được nhuộm thành bất cứ sắc thái và mẫu mã nào như vải bông. Tuy vậy, sợi rayon cũng có một số nhược điểm. Trong khi cấu trúc tấm có nếp gấp của lụa tơ tằm (tạo sự linh hoạt cho lụa đồng thời giúp chống kéo giãn) khiến nó trở nên vô cùng thích hợp cho dệt kim, thì cellulose của sợi rayon lại hút ẩm nhiều, và làm cho vải bị giãn ra. Đây là đặc điểm không mong muốn khi sử dụng Rayon làm tất chân cho phụ nữ.

Nylon — Một loại lụa nhân tạo mới

Cần phát triển một loại lụa nhân tạo mới, mang những ưu điểm của rayon nhưng không kèm theo những nhược điểm. Nylon, một loại vải không dựa trên cellulose đã được phát triển bởi một nhà hóa học của công ty Du Pont Fibersilk, đã xuất hiện trên thị trường vào năm 1938. Từ cuối thập niên 1920, Du Pont bắt đầu quan tâm đến các loại vật liệu nhựa trên thị trường. Wallace Carothers, nhà hóa học hữu cơ 31 tuổi tại đại học Havard, được Du Pont mời thực hiện một nghiên cứu độc lập với nguồn kinh phí không giới hạn. Ông bắt đầu công trình nghiên cứu của mình vào năm 1928 tại phòng thí nghiệm của Du Pont dành riêng cho các nghiên cứu cơ bản - đây là một điều rất dị thường, bởi lẽ trong ngành công nghiệp hóa học, các nghiên cứu cơ bản thường được giao cho các trường đại học thực hiện.

Carothers quyết định nghiên cứu về các polymer. Tại thời điểm này, hầu hết các nhà hóa học đều cho rằng polymer thực ra là những nhóm phân tử kết thành khối với nhau và được gọi là các colloid; vì thế có tên gọi collodion, dẫn xuất của nitrocellulose sử dụng trong nhiếp ảnh và trong lụa Chardonnet. Một quan điểm khác về cấu trúc của polymer, do nhà hóa học người Đức Hermann Staudinger đề xuất, cho rằng polymer thực chất là những đại phân tử. Phân tử có kích thước lớn nhất được tổng hợp vào thời kỳ này - bởi Emil Fischer, nhà hóa học nổi tiếng chuyên nghiên cứu về đường - có khối lượng phân tử là 4.200. Để so sánh, một phân tử nước có khối lượng phân tử là 18, và glucose có khối lượng phân tử là 180. Trong vòng một năm kể từ khi bắt đầu nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Du Pont, Carothers đã tổng hợp được các phân tử polyester có khối lượng phân tử lớn hơn 5.000. Sau đó ông đã có thể tăng giá trị này lên đến 12.000, thêm vào những bằng chứng củng cố cho lý thuyết về các đại phân tử polymer, công trình đã mang lại giải Nobel hóa học năm 1953 cho Staudinger.

Polymer đầu tiên của Carothers ban đầu dường như có khả năng thương mại, bởi nó có dạng sợi dài lóng lánh như sợi tơ tằm, đồng thời cũng không trở nên cứng và giòn khi được sấy khô. Nhưng thật không may, nó lại tan trong nước nóng, bị hòa tan bởi các chất tẩy rửa thông thường, và bị biến dạng sau một vài tuần. Trong suốt bốn năm, Carothers và các cộng sự đã điều chế và nghiên cứu tính chất của nhiều loại polymer khác nhau trước khi tạo ra được nylon, loại sợi nhân tạo có tính chất tương đồng nhất với sợi tơ tằm, và xứng đáng với tên gọi “sợi tơ tằm nhân tạo”.

Nylon là một polyamide, nghĩa là cũng như lụa tơ tằm, các đơn vị cấu trúc polymer được gắn với nhau thông qua các nhóm chức amide. Nhưng trong khi lụa tơ tằm có một đầu acid và một đầu amine ở mỗi đơn vị amino acid riêng biệt, nylon của Carothers được tạo thành từ hai phân tử monomer khác biệt - một monomer có hai nhóm acid và monomer còn lại có hai nhóm amine - sắp xếp xen kẽ trong chuỗi. Một monomer là adipic acid, có hai nhóm COOH ở hai đầu:

Cấu trúc của adipic acid, có hai nhóm acid ở hai đầu. Nhóm acid -COOH được viết ngược lại thành HOOC- ở đầu bên trái.

hoặc được viết lại ngắn gọn hơn là:

Cấu trúc rút gọn của phân tử adipic acid

Monomer thứ hai là 1,6-diaminohexane có cấu trúc khá giống với adipic acid ngoại trừ hai nhóm amine (NH2) thay thế hai nhóm acid COOH. Cấu trúc của phân tử này được mô tả như sau:

Cấu trúc của 1,6-diaminohexane

Cấu trúc rút gọn của 1,6-diaminohexane

Liên kết amide trong nylon cũng như trong lụa tơ tằm được tạo thành bởi sự khử tách một phân tử nước giữa các đầu của hai phân tử: nguyên tử H từ nhóm NH2 và OH từ COOH. Liên kết amide tạo thành, -CO-NH- (hoặc viết theo thứ tự ngược lại là -NH-CO-), nối kết hai phân tử khác nhau này. Nhóm chức amide chính là điểm tương đồng trong cấu trúc hóa học của nylon và lụa tơ tằm. Trong quá trình điều chế nylon, cả hai nhóm amino ở hai đầu phân tử 1,6-diaminohexane phản ứng với hai nhóm acid ở hai đầu phân tử adipic acid. Điều này tiếp tục xảy ra với các phân tử monomer được gắn xen kẽ vào hai đầu của chuỗi polyamide đang phát triển. Phân tử nylon của Carothers được gọi là “nylon 66”, vì mỗi monomer tạo nên nó đều có sáu nguyên tử carbon.

Cấu trúc của nylon, các phân tử adipic acid và 1,6 diaminohexane được sắp xếp xen kẽ trong chuỗi

Ứng dụng thương mại đầu tiên của nylon, vào năm 1938, là làm sợi bàn chải đánh răng. Sau đó, vào năm 1939, tất nylon lần đầu tiên được đưa vào thị trường. Nylon đã chứng tỏ là loại polymer lý tưởng để làm tất. Nó có nhiều tính chất đáng mong muốn của lụa tơ tằm; nó không bị giãn và nhăn như vải bông hay rayon; và quan trọng nhất là nó rẻ hơn lụa rất nhiều. Hàng dệt kim nylon là một thành công thương mại khổng lồ. Trong năm đầu tiên được đưa vào thị trường, khoảng 64 triệu đôi tất nylon đã được sản xuất và tiêu thụ. Thị hiếu của người tiêu dùng đối với mặt hàng này lớn đến mức thuật ngữ nylon dần trở nên đồng nghĩa với hàng dệt kim cho phụ nữ. Với độ bền và độ dai vượt trội cùng khối lượng rất nhẹ, nylon đã nhanh chóng được sử dụng trong nhiều sản phẩm khác như lưới đánh cá, sợi đan vợt tennis và vợt cầu lông, chỉ khâu phẫu thuật và lớp bọc dây điện.

Trong thời kỳ Thế Chiến II, thay vì để làm ra các sợi mảnh dùng trong dệt kim, nylon do Du Pont sản xuất được dùng để tạo ra sợi thô cần thiết cho các sản phẩm quân sự. Sợi vải mành trong lốp xe, màn chống muỗi, các quả bóng khí tượng, dây thừng và các dụng cụ quân sự khác đã chi phối nguồn nylon. Trong không quân, nylon đã chứng tỏ là một vật liệu thay thế tuyệt vời cho vải dù bằng lụa. Sau khi chiến tranh kết thúc, các nhà máy nylon nhanh chóng quay trở lại sản xuất các sản phẩm dân dụng. Vào cuối những năm 1950, tính đa dụng của nylon đã được chứng tỏ qua các ứng dụng của nó trong may mặc, trang phục trượt tuyết, thảm, vải trang trí, buồm tàu và rất nhiều các sản phẩm khác. Nylon cũng là một vật liệu có thể ép khuôn rất tuyệt vời, và là loại “nhựa kỹ thuật” đầu tiên, loại nhựa có độ bền đủ để có thể thay thế kim loại. Trong năm 1953, hơn 4.500 tấn nylon đã được sản xuất để phục vụ riêng cho mục đích này.

Thật không may, Wallace Carothers không thể tận mắt chứng kiến thành công của phát minh của mình. Bị trầm cảm và chứng bệnh càng nặng hơn theo năm tháng, ông đã kết thúc cuộc đời mình bằng thuốc độc cyanide vào năm 1937, không hề biết rằng phân tử polymer ông tạo ra sẽ đóng vai trò quan trọng đến thế nào đối với thế giới trong tương lai.

Phụ nữ vội vã mua và mặc tất nylon sau Thế Chiến II, khi polymer lại được dùng để làm hàng dệt kim (Ảnh bản quyền của Du Pont).

Lụa và nylon đã để lại những di sản giống nhau. Không chỉ tương đồng về mặt cấu trúc hóa học và tính phù hợp với các sản phẩm dệt kim và vải dù, cả hai loại polymer này đã góp phần - theo cách riêng của chúng - tạo ra những thay đổi lớn lao cho sự thịnh vượng của nền kinh tế trong thời đại của chúng. Nhu cầu về lụa tơ tằm không chỉ mở ra những con đường thương mại và những giao dịch thương mại mới trên toàn thế giới, mà còn dẫn đến sự phát triển của rất nhiều thành phố phụ thuộc vào lụa hoặc ngành thương mại lụa, và giúp thành lập các ngành nghề công nghiệp khác phát triển cùng việc nuôi tằm như nhuộm, kéo sợi, dệt vải. Lụa tơ tằm thực sự đã mang lại những thay đổi và sự phồn vinh cho rất nhiều vùng đất trên địa cầu.

Cũng như lụa và ngành công nghiệp sản xuất lụa đã kích thích thị hiếu tiêu dùng - trang phục, đồ nội thất và nghệ thuật - trong nhiều thế kỷ tại châu Âu và châu Á, sự ra đời của nylon và sự phong phú của các loại vải tổng hợp cũng như vật liệu dệt may hiện đại khác đã có ảnh hưởng vô cùng quan trọng đến thế giới của chúng ta. Đã từng có lúc thực vật và động vật là nguồn cung chủ yếu các nguyên liệu chính cho trang phục của con người, ngày nay, hầu hết nguyên liệu thô của nhiều loại vải được lấy từ những sản phẩm phụ của công nghiệp lọc dầu. Về mặt hàng hóa, dầu thô đã chiếm lấy vai trò từng một thời thuộc về lụa. Cũng như trong trường hợp của lụa trước đây, chính nhu cầu dầu thô đã tạo lập những giao dịch mới, mở ra những tuyến đường thương mại mới, thúc đẩy sự phát triển của một số thành phố và thành lập những đô thị mới khác, tạo ra các ngành công nghiệp mới với những công việc mới, mang lại của cải và những thay đổi vô cùng to lớn cho rất nhiều vùng đất trên thế giới.

(6) Một trong Ngũ Đế trong lịch sử Trung Quốc - ND.