Nel 1965 la chimica Stephanie Kwolek scoprì una soluzione opalescente di polimeri a cristalli liquidi che, filata, creava una fibra 5 volte più resistente dell'acciaio a parità di peso. Il Kevlar rivoluzionò la protezione personale con giubbotti antiproiettile leggeri, salvando innumerevoli vite. DuPont. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO
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Stephanie Kwolek: chimica polimerica alla DuPont
Stephanie Louise Kwolek nacque nel 1923 a New Kensington, Pennsylvania, da genitori immigrati polacchi. Si laureò in chimica al Margaret Morrison Carnegie College nel 1946 e fu assunta dalla DuPont, una delle più grandi aziende chimiche americane, con l'intenzione iniziale di lavorare per pochi anni per risparmiare denaro e poi studiare medicina. Ma si innamorò della chimica dei polimeri e rimase alla DuPont per oltre quarant'anni. Negli anni Sessanta lavorava nel Pioneering Research Laboratory di Wilmington, Delaware, specializzato nello sviluppo di nuove fibre sintetiche ad alte prestazioni. Il nylon, inventato dalla DuPont negli anni Trenta, aveva già rivoluzionato l'industria tessile; Kwolek e i suoi colleghi cercavano la prossima generazione: fibre più resistenti, più leggere, più stabili al calore. L'obiettivo immediato era trovare un sostituto per l'acciaio nei pneumatici radiali, in previsione di una carenza di petrolio che avrebbe reso economicamente vantaggiosi pneumatici più leggeri e durevoli.
La scoperta del 1965: una soluzione che non doveva funzionare
Nel 1965, durante esperimenti di polimerizzazione, Kwolek ottenne una soluzione di poli-para-fenilene tereftalammide che si comportava in modo inaspettato. Normalmente, le soluzioni polimeriche sono viscose e trasparenti. Questa invece era torbida, quasi lattiginosa, con riflessi opalescenti. Secondo le procedure standard del laboratorio, una soluzione del genere doveva essere scartata perché probabilmente contaminata o degradata. Kwolek però sospettò che la torbidità indicasse qualcosa di insolito: una struttura a cristalli liquidi, cioè catene polimeriche allineate in modo ordinato invece che aggrovigliate casualmente. Convinse (con difficoltà) il tecnico responsabile della filatura a filare la soluzione nonostante l'aspetto anomalo, preoccupato che la torbidità potesse danneggiare i macchinari. La fibra risultante fu immediatamente riconosciuta come straordinaria: era incredibilmente resistente alla trazione e rigida, molto più di qualsiasi fibra sintetica prodotta fino a quel momento.
Le proprietà del Kevlar: resistenza meccanica e termica
Il Kevlar, nome commerciale assegnato dalla DuPont alla fibra di Kwolek nel 1971, ha una resistenza alla trazione circa 5 volte superiore a quella dell'acciaio a parità di peso. Più tecnicamente: il modulo elastico del Kevlar è di circa 70-190 GPa (gigapascal) a seconda della variante (Kevlar 29, 49, 149), mentre l'acciaio ha un modulo di circa 200 GPa ma una densità tripla. Questo significa che una corda di Kevlar dello stesso peso di una corda d'acciaio è molto più resistente. Il Kevlar è anche resistente al fuoco: non brucia né si scioglie fino a circa 500 gradi Celsius, decomponendosi invece per carbonizzazione. È inoltre resistente alla corrosione chimica e alla degradazione da radiazioni UV (sebbene debba essere protetto dalla luce solare diretta per applicazioni a lungo termine). La struttura molecolare del Kevlar consiste in catene polimeriche aromatiche rigide (anelli benzenici) legate da gruppi ammidici, con legami a idrogeno intermolecolari che creano una struttura cristallina altamente ordinata e compatta.
I giubbotti antiproiettile: salvare vite con la chimica
L'applicazione più nota e socialmente rilevante del Kevlar è nei giubbotti antiproiettile leggeri. Prima del Kevlar, le protezioni balistiche personali erano basate su piastre di acciaio o ceramica estremamente pesanti (10-15 chilogrammi), che limitavano la mobilità e causavano affaticamento, rendendo impraticabile l'uso prolungato. I primi giubbotti in Kevlar, introdotti negli anni Settanta, pesavano circa 3-4 chilogrammi e offrivano protezione contro proiettili di pistola e frammenti di granata. La fibra funziona assorbendo e dissipando l'energia cinetica del proiettile attraverso una rete di strati intrecciati: quando il proiettile colpisce, le fibre si stirano distribuendo la forza su un'area ampia, deformando il proiettile e rallentandolo fino a fermarlo. Sebbene il Kevlar non fermi proiettili da fucile ad alta velocità (per i quali si usano piastre ceramiche o composite), ha salvato innumerevoli vite di agenti di polizia e soldati colpiti da armi da fuoco. La DuPont stima che oltre 3.000 vite siano state salvate direttamente da giubbotti in Kevlar.
Applicazioni oltre i giubbotti: dai cavi sottomarini alle vele da regata
Il Kevlar ha trovato applicazioni in settori estremamente diversificati. Nell'industria aerospaziale viene usato nei pannelli strutturali delle navicelle spaziali e negli scudi termici per la resistenza alle alte temperature. I cavi in fibra ottica sottomarini che attraversano gli oceani sono rinforzati con Kevlar per proteggerli dalla pressione, dall'abrasione e dai morsi di squali. Nella nautica sportiva, le vele da regata in Kevlar permettono forme più efficienti e pesi ridotti. L'industria automobilistica usa Kevlar nei freni (pastiglie e dischi compositi), nelle cinghie di trasmissione e nei pneumatici radiali ad alte prestazioni, esattamente l'applicazione originale che Kwolek stava cercando di sviluppare. Gli strumenti musicali a corda utilizzano Kevlar per le corde di chitarre e bassi che richiedono alta tensione e stabilità di intonazione. Persino gli smartphone moderni contengono piccole quantità di Kevlar nei cavi interni per resistere a piegamenti e stress meccanici.
Riconoscimenti e eredità: National Medal of Technology e Hall of Fame
Stephanie Kwolek ottenne 28 brevetti durante la carriera alla DuPont, ma il Kevlar rimase la sua scoperta più importante. Nel 1995 ricevette la National Medal of Technology, la più alta onorificenza scientifica americana, dalle mani del Presidente Clinton. Fu la quarta donna nella storia a ricevere questo premio. Nel 1994 fu ammessa nella National Inventors Hall of Fame, e nel 2003 nella National Women's Hall of Fame. Nonostante il successo commerciale enorme del Kevlar (miliardi di dollari di vendite annue), Kwolek non divenne mai ricca personalmente: come dipendente della DuPont, i diritti sui brevetti appartenevano all'azienda. Ricevette bonus e riconoscimenti ma non royalties. Morì nel 2014 a 90 anni. In interviste tarde, disse che la cosa di cui andava più fiera non era il successo commerciale ma sapere che la sua chimica aveva salvato vite: ogni giorno, da qualche parte nel mondo, qualcuno sopravviveva a un proiettile grazie a un giubbotto di Kevlar.
La storia di Stephanie Kwolek è la dimostrazione che la curiosità scientifica può salvare vite in modi imprevedibili. Cercava pneumatici migliori e creò un materiale che avrebbe protetto migliaia di persone dal piombo. Aveva una soluzione torbida che secondo le procedure standard andava scartata, ma ebbe l'intuizione e la tenacia di capire che l'anomalia poteva essere più interessante della normalità. E aveva ragione. Il Kevlar è ormai parte invisibile della nostra vita: nei telefoni che usiamo, nelle macchine che guidiamo, nelle vele che solcano gli oceani e nei giubbotti che proteggono chi ci protegge. Tutto perché una chimica polacca-americana guardò una soluzione opalescente e pensò: "Questa è strana. Voglio vedere cosa succede se la filo". La scienza è spesso così: una domanda piccola, una curiosità apparentemente insignificante, un'anomalia seguita fino alla fine. E poi, decenni dopo, scopri che hai cambiato il mondo.
