Уоллес Каротерс: Жизнь и изобретение нейлона

Введение

Американский химик и изобретатель начала XX века Уоллес Хьюм Каротерс (/k/ə/'rʌðərз/; 27 апреля 1896 – 29 апреля 1937) был американским химиком, изобретателем и руководителем отдела органической химии в компании DuPont, которому приписывают изобретение нейлона. Каротерс возглавлял исследовательскую группу в лаборатории DuPont Experimental Station, расположенной недалеко от Уилмингтона, штат Делавэр, где проводились основные исследования в области полимеров. Каротерс был органическим химиком, который, помимо разработки нейлона, также заложил основы для создания неопрена. После получения докторской степени он преподавал в нескольких университетах, прежде чем был принят на работу в DuPont для проведения фундаментальных исследований. Он женился на Хелен Свитман 21 февраля 1936 года. Каротерс страдал от приступов депрессии с юности. Несмотря на успех с нейлоном, он чувствовал, что не достиг значительных результатов и исчерпал свои идеи. Его несчастье усугубилось смертью сестры, и 28 апреля 1937 года он совершил самоубийство, выпив цианид калия. Его дочь Джейн родилась 27 ноября 1937 года.

Образование и академическая карьера

Каротерс родился 27 апреля 1896 года в Берлингтоне, штат Айова, в семье Айры и Мэри Эвалины Каротерс. Он был старшим из четырех детей. У него был брат и две сестры: Джон, Изобель и Элизабет. В юности Каротерс увлекался инструментами и механическими устройствами и проводил много часов, экспериментируя с ними. Он учился в государственной школе в Де-Мойне, штат Айова, где был известен как прилежный ученик. После окончания школы, под давлением отца, Каротерс поступил в Коммерческий колледж Capital City в Де-Мойне, где его отец занимал должность вице-президента, и завершил курс бухгалтерского учета и секретарского дела в июле 1915 года. В сентябре 1915 года он поступил в Таркио-колледж в Миссури. Изначально он изучал английский язык, но под влиянием Артура Парди, заведующего кафедрой, перешел на химию. Каротерс настолько преуспел в химии, что до окончания колледжа был назначен преподавателем химии и одновременно изучал и преподавал курс для старшекурсников, когда Парди ушел на должность председателя кафедры химии в Университете Южной Дакоты. Он окончил Таркио в 1920 году в возрасте 24 лет, получив степень бакалавра наук. Затем он поступил в Университет Иллинойса для получения степени магистра искусств, которую получил в 1921 году под руководством профессора Карла Марвела. В 1921–1922 учебном году Каротерс работал преподавателем химии в Университете Южной Дакоты в течение одного года. Именно в Университете Южной Дакоты он начал свои независимые исследования, результатом которых стала статья, опубликованная в Журнале Американского химического общества. В этой статье он измерил физические свойства фенилизоцианата и диазобензолимида (ныне известного как фенилазид). Значения этих свойств оказались очень близкими, что привело его к выводу о том, что структура второго соединения имеет формулу C6H5N=N=N, с тремя атомами азота, расположенными в линейной цепи, а не в кольце, как считалось ранее. Он вернулся в Университет Иллинойса для получения степени доктора философии под руководством Роджера Адамса. Степень была присуждена ему в 1924 году. Он специализировался на органической химии, а также изучал физическую химию и математику. В 1922–1923 годах он работал научным ассистентом и получил стипендию Карра на 1923–1924 годы – самую престижную награду, которую предлагал университет в то время. В 1926 году он был принят в Альфа Чи Сигма в качестве члена Zeta Chapter при Университете Иллинойса. После получения степени доктора философии Каротерс остался в Университете Иллинойса на два года в качестве преподавателя органической химии. В 1926 году Каротерс переехал в Гарвардский университет, где снова преподавал органическую химию. Президент Гарварда Джеймс Б. Конант, сам химик, писал о Каротерсе:
В своих исследованиях доктор Каротерс уже в то время демонстрировал высокую степень оригинальности, которая отличала его более поздние работы. Он никогда не стремился идти по проторенной дорожке или принимать общепринятые интерпретации органических реакций. Его первые размышления о полимеризации и структуре веществ с высокой молекулярной массой начались, когда он работал в Гарварде. В 1927 году компания DuPont приняла решение финансировать фундаментальные, чисто теоретические исследования, не направленные на разработку продукта, приносящего прибыль. Каротерс отправился в Уилмингтон, штат Делавэр, чтобы обсудить возможность возглавить отдел органической химии в новой лаборатории DuPont для фундаментальных исследований.

Carothers was born on April 27, 1896, in Burlington, Iowa, to Ira and Mary Evalina Carothers. He was the oldest of four children. He had one brother and two sisters: John, Isobel and Elizabeth. As a youth, Carothers was fascinated by tools and mechanical devices and spent many hours experimenting. He attended public school in Des Moines, Iowa, where he was known as a conscientious student. After graduation, and under pressure from his father, Carothers enrolled in the Capital City Commercial College in Des Moines, where his father was vice president, completing the accountancy and secretarial curriculum in July 1915. In September 1915, he entered Tarkio College in Missouri. Although he initially majored in English, he switched to chemistry under the influence of Arthur Pardee, head of that department. Carothers so excelled in chemistry that before graduation he was made a chemistry instructor and studied for as well as taught the senior course when Pardee left to become chairman of the chemistry department at the University of South Dakota. He graduated from Tarkio in 1920 at the age of 24 with a bachelor of science degree. Then he went to the University of Illinois for his master of arts degree, which he received in 1921 under the guidance of Professor Carl Marvel. During the 1921–22 school year, Carothers held a one year appointment as a chemistry instructor at the University of South Dakota. It was at the University of South Dakota that he began his independent research that resulted in an article accepted by the Journal of the American Chemical Society. In this paper he measured physical properties of phenyl isocyanate and of diazobenzene imide (now known as phenyl azide). The properties have very similar values, which led him to the conclusion that the structure of the second compound is C6H5 N=N=N, with the three nitrogen atoms in a linear chain rather than a ring as previously thought. He went back to the University of Illinois to study for his Ph. D. under Roger Adams. His degree was awarded in 1924. He specialized in organic chemistry and minored in physical chemistry and mathematics. He worked as a research assistant during 1922–1923 and received the Carr Fellowship for 1923–24. This was the most prestigious award offered by the university at that time. He was initiated into Alpha Chi Sigma in 1926 as a member of Zeta Chapter at the University of Illinois. After receiving his Ph. D., Carothers stayed at the University of Illinois for two years as an instructor in organic chemistry. In 1926, Carothers moved to Harvard University, where he was again an instructor in organic chemistry. Harvard president James B. Conanthimself a chemist wrote of Carothers:
In his research, Dr. Carothers showed even at this time the high degree of originality which marked his later work. He was never content to follow the beaten path or to accept the usual interpretations of organic reactions. His first thinking about polymerization and the structure of substances of high molecular weight began while he was at Harvard. In 1927, DuPont decided to fund fundamental, pure research: research not deliberately aimed at the development of a money making product. Carothers traveled to Wilmington, Delaware, to discuss the possibility of being in charge of organic chemistry at the new DuPont laboratory for fundamental research.

Перейти в DuPont

Решение покинуть академическую среду далось Каротерсу нелегко. Сначала он отклонил предложение о работе от DuPont, объяснив, что "я страдаю от невротических приступов сниженной работоспособности, которые могут стать гораздо более серьезным препятствием там, чем здесь". Несмотря на это признание, представитель DuPont, Гамильтон Брэдшоу, приехал в Гарвард и убедил Каротерса изменить свое решение. Его зарплата составляла 500 долларов в месяц, по сравнению с 267 долларами в Гарварде (3200 долларов в год). Позже, в письме Вилко Мачетанцу, своему соседу по комнате в Таркио, Каротерс более подробно описал свои чувства депрессии: "Я обнаруживаю, что даже сейчас принимаю бесценные блага, предлагаемые из чистой доброты и великодушия, и не могу оказать даже столь незначительного ответа, как позволяют обстоятельства и требуют человечность и порядочность, из-за тупости, страха, эгоизма или простого безразличия и полного отсутствия чувств".

Неопрен

В компании DuPont Каротерсу предложили должность в новой фундаментальной исследовательской программе, недавно созданной в Уилмингтоне, штат Делавэр, и дали ему возможность выбрать любое направление исследований по его усмотрению. Он выбрал исследования полимеров, поскольку эта область требовала теоретической разработки и имела огромный коммерческий потенциал. Каротерс начал работу на экспериментальной станции DuPont 6 февраля 1928 года. Его основной целью стал синтез полимера с молекулярной массой более 4200, что было достигнуто доктором Эмилем Фишером. К лету 1928 года у Каротерса был небольшой коллектив из химиков с ученой степенью Ph.D. и два консультанта: доктор Роджер Адамс, его научный руководитель, и доктор Карл Марвел, его преподаватель органической химии в Университете Иллинойса. Лаборатория, в которой работали эти выдающиеся ученые, получила название «Зал чистоты». К середине 1929 года было разочаровывающе, что «Зал чистоты» не смог создать полимер весом более 4000. В январе 1930 года доктор Элмер К. Болтон стал помощником директора химического отдела и, следовательно, непосредственным начальником Каротерса. Болтон ожидал получения практических результатов в 1930 году, и его ожидания оправдались. Болтон попросил Каротерса изучить химию полимера ацетилена с целью создания синтетического каучука. В апреле 1930 года один из сотрудников Каротерса, доктор Арнольд М. Коллинз, выделил хлоропрен – жидкость, которая полимеризовалась, образуя твердый материал, похожий на резину. Этот продукт стал первым синтетическим каучуком и известен сегодня как неопрен.

Полиэтиленовые

В том же году доктор Джулиан У. Хилл, еще один член команды Каротерса, возобновил работу над попыткой получения полиэстера с молекулярной массой более 4000. Его усилия вскоре увенчались большим успехом, когда ему удалось синтезировать полимер с молекулярной массой около 12 000. Высокая молекулярная масса позволила вытягивать расплавленный полимер в волокна. Так был создан первый синтетический шелк, который химики назвали суперполиэстером. Полиэстеры и полиамиды – примеры конденсационных полимеров, формирующихся посредством ступенчатой полимеризации. Каротерс разработал теорию ступенчатой полимеризации и вывел уравнение Каротерса, связывающее среднюю степень полимеризации с долей превращения (или выходом) мономера в полимер. Это уравнение показывает, что для получения полимера с высокой молекулярной массой необходима очень высокая доля превращения (только для полимеров, формирующихся ступенчатым способом). Хилл также синтезировал эластичное и прочное волокно, комбинируя гликоли и диациды и нагревая их под вакуумом, используя молекулярный дистиллятор для удаления последних следов воды, образующейся в реакции конденсации. К сожалению, полученное волокно не подлежало коммерциализации, так как при помещении в горячую воду оно превращалось в липкую массу. После этого Каротерс на несколько лет прекратил исследования в области полимеров.

Позднейшая карьера и депрессия

В 1931 году Каротерс переехал в дом в Уилмингтоне, который стал известен как "Уиски-Экрс", вместе с тремя другими учеными DuPont. Он не был отшельником, но его депрессивные настроения часто мешали ему наслаждаться той деятельностью, которой занимались его соседи по комнате. В письме близкой подруге Фрэнсис Спенсер он писал: "Похоже, мне нечего рассказать о своей жизни вне химии. Теперь я живу за городом с тремя другими холостяками, и они, будучи общительными, отправились в цилиндрах и белых галстуках, а я, по старой привычке, сижу дома мрачно и уныло". Примерно в это же время Каротерс показал Джулиану Хиллу капсулу с цианидом, прикрепленную к цепочке его часов. Каротерс ненавидел публичные выступления, необходимые для поддержания его высокого положения. В письме к Фрэнсис Спенсер в январе 1932 года он сообщил: "Я ездил в Нью-Хейвен на праздники и выступил на симпозиуме по органической химии. Мой доклад был хорошо принят, но сама мысль о выступлении отравила предшествующие недели, и мне пришлось выпить немало алкоголя, чтобы успокоить нервы. Моя нервозность, мрачность и нерешительность с течением времени только усиливаются, и частое употребление алкоголя не приносит никакого устойчивого улучшения. Сейчас 1932 год кажется мне очень мрачным". В 1932 году соглашение, на условиях которого был нанят Каротерс, было изменено доктором Болтоном. Теперь "Пуритет Холл" должен был сосредоточиться на "установлении более тесной связи между конечными целями нашей работы и интересами компании". Это означало перенос финансирования с фундаментальных исследований на прикладные. Каротерс не считал себя опытным коммерческим исследователем. Он предложил ограничить фундаментальные работы двумя-тремя проектами, соответствующими интересам DuPont. Личная жизнь Каротерса в этот период была насыщенной. У него был роман с замужней женщиной, Сильвией Мур, которая вместе с мужем подала на развод в 1933 году. Одновременно он беспокоился о финансовых проблемах своих родителей и планировал перевезти их в Уилмингтон. Не задумываясь о возможных эмоциональных последствиях этого переезда, он купил дом в Ардене, примерно в 16 километрах от Экспериментальной станции, и переехал туда с родителями. Ему тогда было 37 лет. Вскоре отношения с родителями стали напряженными. Каротерс продолжал встречаться с Сильвией Мур, которая теперь была свободна, и его родители крайне неодобрительно относились к этим отношениям. Не выдержав напряжения в доме, родители вернулись в Де-Мойн весной 1934 года.

In 1931, Carothers moved into a house in Wilmington, which became known as Whiskey Acres, with three other DuPont scientists. He was no recluse, but his depressive moods often prevented him from enjoying all the activities in which his roommates took part. In a letter to a close friend, Frances Spencer, he said, "There doesn't seem to be much to report concerning my experiences outside of chemistry. I'm living out in the country now with three other bachelors, and they being socially inclined have all gone out in tall hats and white ties, while I after my ancient custom sit sullenly at home." At about this time, Carothers showed Julian Hill that he kept a capsule of cyanide attached to his watch chain. Carothers hated the public speaking that was necessary to maintain his high profile. In a letter to Frances Spencer in January 1932, he related, "I did go up to New Haven during the holidays and made a speech at the organic symposium. It was pretty well received but the prospect of having to make it ruined the preceding weeks and it was necessary to resort to considerable amounts of alcohol to quiet my nerves for the occasion. My nervousness, moroseness and vacillation get worse as time goes on, and the frequent resort to drinking doesn't bring about any permanent improvement. 1932 looks pretty black to me just now." In 1932, the agreement under which Carothers was hired was modified by Dr. Bolton. "Purity Hall" would now focus on "effecting a closer relationship between the ultimate objectives of our work and the interests of the company". This meant that funds were shifted from pure research to practical research. Carothers did not see himself as a skilled commercial researcher. He proposed that fundamental work be limited to two or three proposals, which would be consistent with DuPont's interests. Carothers' personal life during this time was busy. He was having an affair with a married woman, Sylvia Moore, who with her husband filed for divorce in 1933. Concomitantly he worried about the financial problems of his parents and planned to bring them to Wilmington. With no thought of the possible emotional ramifications of this move, he bought a house in Arden about 10 mile (16 km) from the Experimental Station and moved into it with his parents. He was 37 at the time. Interactions with his parents soon became tense. Carothers was still seeing Sylvia Moore, who was now single, and his parents greatly disapproved of the relationship. Finding the tension in the household too wearing, his parents returned to Des Moines in the spring of 1934.

Полиамиды

В 1934 году Каротерс снова обратил свое внимание на волокна. Теперь команда заменила гликолы диаминами для получения полимера, называемого полиамидом. Эти вещества были значительно стабильнее полиэстеров, получаемых с использованием гликолей. Способность полиамидов формировать кристаллические области за счет водородных связей наделяет их улучшенными механическими свойствами. Таким образом, появилась возможность создать синтетический шелк, пригодный для повседневного использования. Его исследования привели к изобретению нескольких новых полиамидов. Лабораторную работу по этому проекту выполняли доктор У. Р. Петерсон и доктор Дональд Коффман. В 1935 году к исследованиям полиамидов был привлечен доктор Жерар Берше. Именно в этот продуктивный период исследований, летом 1934 года, до изобретения нейлона, Каротерс исчез. Он не вышел на работу, и никто не знал, где он находится. Его обнаружили в небольшой психиатрической клинике – клинике Пинеля, расположенной недалеко от известной клиники Фиппса при больнице Джона Хопкинса в Балтиморе. Очевидно, он впал в настолько глубокую депрессию, что поехал в Балтимор к психиатру, который поместил его в клинику.

Нейлон

Вскоре после выхода из клиники Каротерс вернулся в DuPont. Болтон поручил Каротерсу работу над полиамидами. Исследования Каротерса в области линейных суперполимеров начались как свободное исследование неизвестного, без какой-либо конкретной практической цели. Однако, эти исследования проводились в новой области химии, и DuPont полагал, что любое новое химическое открытие, вероятно, будет ценным для компании. В ходе исследований Каротерс получил суперполимеры, которые при высоких температурах становились вязкими твердыми веществами, и было обнаружено, что из этого материала можно вытягивать нити, погружая стержень в расплавленный полимер и извлекая его. После этого открытия фокус проекта сместился на эти нити, и результатом стал нейлон. 28 февраля 1935 года Жерар Берше под руководством Каротерса синтезировал полторы унции полимера из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты, получив полиамид 6 6 – вещество, которое впоследствии стало известно как нейлон. Работать с ним было сложно из-за высокой температуры плавления, но Болтон выбрал именно этот полиамид для коммерческой разработки. Он назначил доктора Джорджа Грейвса для работы с Каротерсом над этим проектом. В конечном итоге Грейвс сменил Каротерса на посту руководителя полиамидного проекта. Кроме того, над усовершенствованием полиамида 6 6 и превращением его в коммерчески жизнеспособный продукт работали десятки химиков и инженеров.

Брак и смерть

21 февраля 1936 года Каротерс женился на Хелен Свитман, с которой он встречался с 1934 года. Свитман имела степень бакалавра в области химии и работала в DuPont над подготовкой патентных заявок. При жизни его друзья часто сравнивали его брак с Хелен с его предыдущими отношениями с Сильвией Мур, полагая, что Мур была более выдающейся женщиной. Вскоре после этого, 30 апреля 1936 года, Каротерс стал первым промышленным химиком, избранным в Национальную академию наук – это была очень высокая честь. Однако к июню 1936 года, несмотря на признание его вклада в науку, Каротерс не мог преодолеть депрессию, которая лишала его возможности работать. В начале июня он был помещен в Институт Филадельфии при больнице Пенсильвании, престижную психиатрическую клинику, под наблюдение психиатра доктора Кеннета Аппела. Месяц спустя ему разрешили покинуть клинику и отправиться в поход в Тирольские Альпы с друзьями. Планировалось, что он будет совершать однодневные походы с доктором Роджером Адамсом и доктором Джоном Флэком в течение двух недель. После их отъезда он продолжил путешествие в одиночку, не сообщив никому, даже своей жене. 14 сентября он неожиданно появился у нее на рабочем месте на Экспериментальной станции. С тех пор от Каротерса не требовалось выполнять какую-либо реальную работу на Экспериментальной станции, он лишь иногда приходил навестить. Он снова стал жить в Whiskey Acres, после того как его жена, по согласованию с доктором Аппелем, признала, что не обладает достаточной силой, чтобы заботиться о Каротерсе. 8 января 1937 года сестра Каротерса, Изабель, умерла от пневмонии. Уоллес и Хелен Каротерс поехали в Чикаго на ее похороны, а затем в Де-Мойнс на ее погребение. Он продолжал посещать доктора Аппела в Филадельфии, который поделился с другом Каротерса своим опасением, что самоубийство – наиболее вероятный исход его состояния. 28 апреля 1937 года Каротерс отправился на Экспериментальную станцию для работы. Около 17:00 следующего дня его обнаружили мертвым в гостиничном номере рядом с выжатым лимоном и небольшим количеством цианида. Предсмертной записки найдено не было. В 1982 году он был посмертно включен в Зал славы Alpha Chi Sigma.

On February 21, 1936, Carothers married Helen Sweetman, whom he had been dating since 1934. Sweetman had a bachelor's degree with a major in chemistry and worked for DuPont on the preparation of patent applications. During his lifetime, his friends would often judge his marriage with Helen in comparison to his previous affair with Sylvia Moore, stating that they thought Moore was a greater woman. Soon afterwards, on April 30, 1936, Carothers became the first industrial organic chemist to be elected to the National Academy of Sciences, a very high honor. Yet, by June 1936, in spite of this honor which validated his contributions to science, Carothers could not shake the depression that prevented him from working. In early June, he was involuntarily admitted to the Philadelphia Institute of the Pennsylvania Hospital, a prestigious mental hospital, under the care of psychiatrist Dr. Kenneth Appel. One month later, he was given permission to leave the institute to go hiking in the Tyrolean Alps with friends. The plan was for him to day hike with Dr. Roger Adams and Dr. John Flack for two weeks. After they left, he continued hiking by himself, without sending word to anyone, not even his wife. On September 14, he suddenly appeared at her desk at the Experimental Station. From that point on, Carothers was not expected to perform any real work at the Experimental Station. He would often go in and visit. He began living in Whiskey Acres again, after his wife had agreed with Dr. Appel that she was not strong enough to watch over Carothers. On January 8, 1937, Carothers' sister Isobel died of pneumonia. Wallace and Helen Carothers traveled to Chicago to attend her funeral and then to Des Moines for her burial. He still traveled to Philadelphia to visit his psychiatrist, Dr. Appel, who told a friend of Carothers that he thought suicide was the likely outcome of Carothers' case. On April 28, 1937, Carothers went to the Experimental Station to work. About 5pm the next day, he was found dead in his hotel room with a squeezed lemon and some cyanide salt nearby. No note was found. He was posthumously inducted into the Alpha Chi Sigma Hall of Fame in 1982.