¿Qué logros logró Carothers en química?
En 1920, Carothers recibió una licenciatura en Ciencias de Tajia College. Luego fue a la más famosa Universidad de Illinois para realizar estudios de posgrado y recibió una Maestría en Ciencias de la Universidad de Illinois en 1921. Cuando todavía era médico, fue a Chicago y se convirtió en estudiante de doctorado en la Universidad de Chicago. Se doctoró en química por la Universidad de Chicago en 1924.
Después de recibir su doctorado, la Universidad de Harvard lo contrató como profesor en Harvard, tanto enseñando como realizando investigaciones científicas. Con una base sólida y una mente flexible, Carothers rápidamente se estableció en Harvard y se ganó el reconocimiento del presidente. Justo cuando corría hacia Harvard y se preparaba para hacer algo grande, Dupont vino a verlo.
DuPont fue fundada en 1803 y es una de las empresas de la industria química más grandes del mundo. Con activos sólidos y suficiente solidez técnica, ocupa una gran participación en el mercado mundial de productos químicos. Sin embargo, en las décadas de 1920 y 1930, DuPont se vio fuertemente desafiada por empresas químicas como Bayer y Baden en Alemania, y su cuota de mercado disminuía día a día. Esto se debe a que un grupo de químicos alemanes encabezados por Staudinger hicieron contribuciones destacadas a la teoría y la práctica de la síntesis de polímeros, y sintetizaron caucho, plásticos, etc. , apoyando así firmemente a las empresas de la industria química alemana y planteando un desafío a las empresas químicas estadounidenses. Ante esta situación, DuPont estaba decidida a ponerse al día y devolverle el favor a la empresa alemana.
DuPont sabe que la razón por la que las empresas químicas alemanas pueden ganar mucho dinero es porque están respaldadas por trabajos de investigación científica de alto nivel. Para superar la competencia de las empresas químicas alemanas, DuPont decidió dedicarse por su cuenta a la investigación científica básica. En vista de que la Universidad de Harvard es una de las mejores universidades de los Estados Unidos, la junta directiva de la Compañía DuPont decidió pedirle al presidente de la Universidad de Harvard que encontrara un joven químico con verdadero talento, creatividad y coraje para presidir el departamento básico de la compañía. trabajo de investigación. El doctor Conant, presidente de la Universidad de Harvard, pensó de pronto en Carothers. Aunque Carothers tenía sólo 32 años en ese momento, tenía pocos logros en la investigación científica y no era muy conocido, Conant creía que estaba calificado para el trabajo y lograría grandes logros en su nuevo puesto.
De esta manera, con la recomendación de Conant y la fuerte inversión de DuPont, Carothers aceptó la invitación de DuPont y se convirtió en el director de la oficina de investigación del departamento básico de la empresa, específicamente responsable del trabajo de investigación básica.
En 1928, Carothers empezó a trabajar para DuPont. Tras asumir el cargo, la primera tarea que se propuso fue alcanzar a Alemania en la investigación del caucho sintético.
La historia del uso del caucho en la producción industrial es muy corta, hasta ahora sólo cien años. En 1845, el ingeniero británico R. Thomson colocó un tubo de goma inflable alrededor de la rueda para reducir la vibración del automóvil durante la conducción y obtuvo una patente para este invento. En 1890, los neumáticos se utilizaban oficialmente en bicicletas y, cinco años más tarde, también se utilizaban neumáticos en varios automóviles.
Con el aumento masivo del número de vehículos a motor, la demanda de caucho en la producción industrial ha alcanzado cifras astronómicas, lo que ha traído un cierto grado de crisis a las reservas materiales estratégicas de muchos países. Incluso en la Primera Guerra Mundial, cuando la mecanización apenas comenzaba, Alemania no pudo funcionar porque las armadas aliadas cortaron el suministro de caucho. Por esta razón, algunos países industriales comenzaron a explorar la posibilidad de fabricar caucho sintético. En este juego, Alemania lleva la delantera.
Ya en 1880, los científicos descubrieron que el isopreno se volvía blando y pegajoso si se dejaba por mucho tiempo, y se convertía en una sustancia parecida al caucho después de la acidificación. El káiser Guillermo II utilizó la sustancia para fabricar neumáticos para un automóvil real y demostrar la destreza de Alemania en la industria química. Sin embargo, existen dos dificultades con el uso de isopreno acidificado como materia prima de caucho sintético. Por un lado, la fuente de esta sustancia es el propio caucho; por otro, carece de la elasticidad y flexibilidad del caucho y no es adecuado para neumáticos de automóviles; Por supuesto, sigue siendo aceptable si sólo se utiliza para actividades nacionales.
Más tarde, los alemanes utilizaron un compuesto fácilmente disponible similar al isopreno para fabricar caucho sintético. Reemplazaron el caucho con un compuesto polimerizado a partir de dimetilbutadieno y lo llamaron caucho de metilo. Aunque este tipo de caucho no es ideal para resistir la presión, es barato y se puede producir en grandes cantidades. Durante la Primera Guerra Mundial, Alemania produjo aproximadamente 2500 toneladas de caucho metílico.
Frente al progreso de la industria química alemana, DuPont sintió la presión. Como director del Departamento de Investigación Básica, Carothers lo sabe muy bien. Sabía que para alcanzar a Alemania era necesario comprender los logros de Alemania en la síntesis de polímeros.
Con este fin, organizó especialmente un equipo para estudiar los artículos de artistas famosos como Staudinger, analizar el progreso de la síntesis de polímeros alemana y explorar las ventajas y desventajas de sus productos, con el fin de ponerse al día. Dado que el rendimiento del caucho metílico de fabricación alemana no es ideal, Carothers se centrará primero en la investigación del caucho sintético.
Bajo el liderazgo de Carothers, su laboratorio a menudo estaba muy iluminado por la noche, y él y sus asistentes permanecían despiertos toda la noche para discutir cuestiones técnicas clave. Después de muchas noches de insomnio, finalmente lograron un gran avance en la tecnología del caucho sintético. Eligieron etileno, un subproducto de la industria petrolera, como materia prima, luego agregaron cloruro de hidrógeno para polimerizarlo en cloruro de vinilo y luego sintetizaron con éxito caucho de cloropreno bajo la catálisis de un catalizador y alta presión.
El cloropreno sintético de Carothers no sólo tiene un costo menor que el caucho alemán anterior, sino que también es de buena calidad e incluso tiene cierta resistencia a la corrosión que el caucho natural no tiene. Por ejemplo, tiene una alta resistencia a la corrosión de disolventes orgánicos como la gasolina, a diferencia del caucho natural que se ablanda y se hincha fácilmente cuando se expone a la gasolina. Por lo tanto, el neopreno es más adecuado que el caucho natural para aplicaciones como tuberías de petróleo. El éxito del desarrollo del neopreno demuestra que en el campo del caucho sintético, como en muchos otros campos, los productos artificiales no sólo pueden servir como sustitutos de las sustancias naturales, sino que también pueden superar a las sustancias naturales.
Carothers utilizó subproductos de la industria petrolera para producir caucho sintético con mejores prestaciones que el caucho natural. Disparó con éxito el primer tiro y provocó una gran respuesta en DuPont. Como resultado, se convirtió en un famoso químico estadounidense. En 1932, DuPont había industrializado el neopreno y lo había puesto en el mercado. Más tarde, durante la Segunda Guerra Mundial, el cloropreno se convirtió en uno de los productos de caucho que el gobierno de Estados Unidos se esforzó por desarrollar.
La confianza de Carothers aumentó mucho tras su victoria en la primera batalla. A continuación, pasará a las fibras sintéticas. Quería utilizar polímeros sintéticos para crear fibras que pudieran usarse en textiles. Este es un trabajo muy atractivo.
Al principio, la investigación no fue muy fácil. Concibieron muchos planes y el personal lo intentó repetidamente, pero todos fracasaron. El dinero se gastó como agua y los cientos de miles de fondos de investigación científica iniciales se gastaron rápidamente. En ese momento, el jefe de DuPont Company le brindó un gran apoyo. El presidente de la empresa también le dijo específicamente al director del departamento general de investigación: "Dad a Carothers todo lo que quieran".
Fue en este buen ambiente que Carothers se embarcó paso a paso en el camino hacia el éxito. . Primero estudió algunas moléculas que contenían grupos amino y carboxilo, con la esperanza de encontrar mejores formas de condensarlas en moléculas con estructuras macrocíclicas. Pero contrariamente a lo esperado, descubrió que estas moléculas no se condensaban en moléculas de anillo, sino en moléculas de cadena larga.
Sin embargo, Carothers no estaba desprevenido en esta situación. También anticipó la posibilidad de moléculas de cadena larga, por lo que no perdió la oportunidad. Inmediatamente estudió la nueva sustancia y finalmente fabricó fibras a partir de ácido adípico y hexametilendiamina. Esta fibra tiene una estructura similar a la seda.
Sin embargo, el rendimiento de las fibras producidas al principio no fue muy bueno, debido principalmente a su escasa resistencia. Después del análisis, Carothers determinó que el problema provenía del agua producida durante el proceso de condensación. La presencia de agua tiene el efecto contrario: una reacción de hidrólisis, lo que hace imposible continuar con la reacción de polimerización. Carothers encontró una solución al problema ejecutando la reacción de polimerización a baja presión. Como todos sabemos, la baja presión promueve la tasa de evaporación del agua, por lo que el agua seguirá evaporándose. Carothers coloca una placa de vidrio para enfriar sobre el líquido de reacción, y el agua evaporada se condensa sobre la placa de vidrio y se escurre por sí sola. De esta manera aseguró una polimerización ininterrumpida y sentó así las bases para la síntesis de fibras artificiales ideales.
Carothers analizó más a fondo la tecnología de producción de fibras sintéticas. Fundió el polímero de condensación de ácido adípico y hexametilendiamina, lo extruyó a través de un pequeño orificio y lo transformó en filamentos. Durante el proceso de estirado en frío, Carothers y otros descubrieron un fenómeno interesante: las moléculas de cadena larga eran irregulares antes del estiramiento, pero después del estirado en frío, las cadenas moleculares se disponían paralelas a la fibra, aumentando así considerablemente la resistencia y elasticidad de la fibra. Así, se estableció el proceso de producción básico de hilado en fusión, que incluye policondensación, moldeo por extrusión en fusión y estirado en frío a temperatura ambiente. Este proceso puede producir filamentos brillantes similares a la seda que pueden tejerse en textiles que son tan suaves y hermosos como la seda o incluso más fuertes que la seda. Carothers denominó a esta fibra sintética nailon-66, cuyo nombre científico es poliamida-66. Es la primera fibra sintética con valor práctico del mundo. Las materias primas que utiliza se producen íntegramente mediante métodos químicos. A diferencia de las fibras artificiales mencionadas en el pasado, que tienen el nombre de "artificiales", las materias primas utilizadas son en realidad naturales.
El nailon es uno de los descubrimientos más importantes entre las fibras artificiales. Es diferente de las fibras artificiales y naturales del pasado. Sus propiedades impermeables son mejores que esas fibras. No le teme a la humedad, no se mancha fácilmente, no se come a los insectos y tiene alta resistencia. Los experimentos muestran que si las áreas de la sección transversal son iguales, la resistencia del alambre de nailon es la misma que la del alambre de acero. DuPont inició la producción industrial de nailon-66 en 1939. El lema publicitario de la empresa: "Hacemos hermosos hilos de nailon, tan fuertes como un alambre de acero y tan delgados como la seda de araña", se ha extendido por todo Estados Unidos y el mundo, y todo el mundo conoce este nuevo producto de nailon. Su aparición marcó el comienzo de una nueva era de fibras sintéticas.
Durante la Segunda Guerra Mundial, el ejército estadounidense adquirió todos los productos de nailon para fabricar paracaídas y más de 100 municiones más. Después de la guerra, el nailon reemplazó por completo a la seda en los calcetines.
A las mujeres de los países occidentales les gusta usar calcetines livianos, pero las fibras originales no son adecuadas para este requisito: la seda es cara, la fibra de algodón no es lo suficientemente fuerte y la lana no es lo suficientemente liviana y no puede soportar lavados repetidos durante mucho tiempo. Pero los calcetines de nailon emergentes pueden cumplir con estos requisitos. Es delgado, ligero y fuerte y muy popular entre los consumidores. Además, los productos de nailon también han abierto mercados en otras industrias. El nailon se puede convertir en muchas cosas, desde ropa hasta ropa de cama, desde alfombras hasta cinturones de seguridad, desde mangueras contra incendios hasta pieles sintéticas, casi todo. Debido a esto, el nailon se ha vuelto popular en todo el mundo en un corto período de tiempo.
Pero Carothers no vio nada de esto. Murió inesperadamente el 29 de abril de 1937, a la edad de 41 años. Carruthers se había sentido frustrado. Tiene una hermana gemela y la relación entre hermano y hermana es muy buena. Cuando su hermana murió en 1936, se sintió aún más infeliz. Por eso, algunas personas consideraron su muerte como un suicidio. En cualquier caso, su prematura muerte es verdaderamente lamentable.
Las principales obras de Carothers incluyen "Síntesis orgánica", publicada en 1933. Fue elegido académico de la Academia Estadounidense de Ciencias en 1936 y fue el primer químico orgánico elegido académico de la Academia de Ciencias por industria. Además, editó el Journal of the American Chemical Society de 1930 a 1937. Carothers publicó más de 60 artículos sobre fibras sintéticas y caucho sintético a lo largo de su vida y obtuvo más de 70 patentes. Es químico e ingeniero químico con profundos conocimientos teóricos básicos y una rica experiencia práctica.
Aunque Carothers falleció, su carrera fue heredada por otros. En el segundo año después de su muerte, Prowley, que había sido su asistente, resumió una serie de reacciones de polimerización por condensación, propuso el importante principio de que todos los grupos funcionales en la reacción de polimerización por condensación tienen la misma actividad y aprovechó esta oportunidad para promover el desarrollo. de la industria de materiales poliméricos. Por sus destacados logros en la investigación de materiales poliméricos, Prowley ganó el Premio Nobel en 1974. Alguien dijo con emoción: Si Carothers no hubiera muerto joven, el Premio Nobel habría sido compartido con Prully. En cualquier caso, el negocio de las fibras sintéticas iniciado por Carothers ha ganado reputación mundial y Carothers ha pasado a la historia.