Около пятидесяти лет длилось соревнование химиков с шелкопрядом.
За это время многочисленные исследования ученых обогатили науку знаниями о строении волокна и раскрыли, каким образом маленькие молекулы скрепляются между собой, составляя длинные цепочки. Инженеры научились строить хорошие машины для изготовления искусственного шелка. Химики-производственники накопили большой опыт. Словом, заменитель шелка был изобретен и его производство налажено. Следовало подумать и о создании искусственной шерсти. Ведь шерсть более нужный материал, чем шелк. Хорошая шерстяная ткань ценится дороже шелка. Найти дешевый заменитель шерсти — большое дело!
С ростом благосостояния трудящихся Советского Союза спрос на шерстяные изделия непрерывно увеличивается. И увеличивается он быстрее, чем может расти стадо тонкорунных овец-мериносов.
В годы, когда в Госплане СССР намечали цифры первой сталинской пятилетки, хозяйственники подсчитали: чтобы увеличить производство шерстяных тканей только на 10 миллионов метров в год, надо к имеющемуся поголовью прибавить еще свыше миллиона овец.
Миллион овец! Если погнать такую отару по дороге, она растянется почти на 100 километров! А разбредутся на пастбище — за сутки не объедешь вокруг. Для миллиона овец надо подготовить пастбища и водопой, обеспечить охрану от хищников, построить зимовья, запасти корм. Овец надо растить, лечить, стричь…
В 1929 году в Советском Союзе было около 150 миллионов овец и коз. И поголовье надо было увеличить не на один миллион, а на несколько десятков миллионов.
Не проще ли построить фабрики искусственной шерсти? Ясно ведь, что природный поставщик шерсти, овца, не в состоянии дать все нужное нам количество шерсти.
Разумеется, необходимо делать и то и другое — и увеличивать поголовье овец и строить фабрики искусственной шерсти.
Но прежде чем думать о фабриках, нужно изобрести способ изготовления искусственной шерсти. Найти подходящее и дешевое сырье, разработать весь производственный процесс, проверить его в лабораториях.
В 30-х годах советские ученые начали упорные поиски способа изготовления искусственной шерсти
Сделали заново анализ натуральной шерсти. Шерсть состоит из белкового вещества — кератина. Кератин — главный строительный материал волос, рогов, копыт, когтей, шерсти. Он представляет сложное химическое соединение, образованное, как и все белковые вещества, атомами углерода, кислорода, азота, водорода, серы и фосфора».
Белковых веществ много, состав их различен. В среднем в белковых веществах содержится: углерода 50—55 процентов, кислорода 20—24 процента, азота 15—17,6 процента, водорода 6,5—7,5 процента, серы 0,3—2,4 процента, фосфора 0,4—0,9 процента.
На целлюлозу, из которой растения строят свои волокна, шерсть совершенно непохожа. В целлюлозе нет ни азота, ни серы. Следовательно, она не может служить сырьем для изготовления искусственной шерсти, и надо брать какое-либо белковое вещество.
Но и не всякое белковое вещество подойдет. Дело ведь не только в присутствии азота и серы, но и в строении молекул — они должны быть похожи на молекулу кератина: быть нитевидными, пригодными для прядения и нерастворимыми в воде.
В кератине атомы углерода, кислорода, азота и водорода образуют маленькую молекулу. Эти молекулы-малютки, сцепляясь между собой, составляют длинные цепочки.
При соединении в цепочку каждые две молекулы теряют одну молекулу воды. Таким образом, большая молекула кератина построена из остатков маленьких молекул.
Цепочки, в свою очередь, соединяются между собой попарно, располагаясь, как рельсы железнодорожного пути. «Шпалами» служат атомы серы. Они-то и скрепляют параллельные цепочки в большую молекулу кератина.
Такого рода связи, когда цепочки молекул соединяются между собой атомами другого вещества, называются в химии мостиками. Мостики очень крепко держат молекулу, поэтому белковые вещества, обладающие мостиками, в воде не растворяются, а только набухают. И чем прочнее мостики, тем меньше набухает вещество в воде.
Следовательно, мало найти белковое вещество с нитевидными молекулами, надо суметь скрепить их прочными мостиками, тогда получится вещество, подобное кератину шерсти.
Вначале ученые, занятые созданием искусственной шерсти, подражали изобретателям искусственного шелка. Они взяли природное сырье — отходы натуральной шерсти и натурального шелка. Шелк тоже годился для этой цели, потому что он также состоит из белкового вещества с нитевидными молекулами — фиброина.
Химики подобрали подходящие растворители и растворили в них шерсть и шелк. У них получилась вязкая жидкость, подобная вискозе. Этот «шерстяной сироп» они пропустили через прядильную машину и изготовили нити. Но нити были словно сахарные: они боялись воды. Оказалось, когда кератин шерсти и фиброин шелка растворялись, то разрушались и мостики. Поэтому нити искусственной шерсти, попадая в воду, расползались.
От природных волокон пришлось отказаться, так как не удалось сохранить кератиновые мостики.
Стали искать, нет ли каких-нибудь других белковых веществ с нитевидными молекулами, которые удалось бы скрепить мостиками. Ученые, изобретавшие искусственную шерсть, своими учителями выбрали не только химиков — создателей вискозного шелка, но и кожевников.
Еще в глубокой древности люди умели дубить кожи, т. е. пропитывать нестойкие волокна сырой шкуры дубителями и превращать ее в прочную водостойкую кожу. В старину дубление кож производили растительными дубителями — веществами, содержащимися в коре ивы, дуба и других деревьев. Затем нашли лучшие способы дубления — алюминиевыми квасцами, хромовыми солями и т. п.
При дублении в молекулы белкового вещества шкуры внедряются атомы или группы атомов дубителя, которые связывают мостиками молекулы белковых веществ кожи. Прочные мостики делают кожу водоустойчивой.
Ученые попробовали дубить различные белковые вещества. Для опыта взяли желатин. Однако результаты опыта были неудовлетворительными.
Испытывали также и многие другие вещества. Наиболее пригодным оказался казеин — белковое вещество, содержащееся в молоке (творог). И по своему химическому составу и по строению молекул он наиболее близок к кератину. Казеин тоже состоит из цепочек, образованных остатками маленьких молекул, но в отличие от кератина его цепочки не скреплены мостиками и поэтому казеин не стоек в воде.
Следовало найти материал для мостиков, т. е. найти подходящий дубитель. Испробовали алюминиевые квасцы и соли хрома. Ученые думали, что может быть атомы алюминия или хрома скуют слабые молекулы казеина так же, как они сковывают молекулы в волокнах кожи. Увы, ожидания не оправдались.
Испытав несколько разных дубителей, ученые остановились на формалине. Эта жидкость обычно употребляется в медицине как сильное дезинфицирующее средство — она убивает болезнетворных микробов.
Молекула формалина проста. Она состоит из одного атома углерода, к которому присоединены два атома водорода и один атом кислорода.
Соединение одного атома углерода с двумя атомами водорода называется в химии метиленовой группой. Следовательно, в молекуле формалина имеется метиленовая группа и один атом кислорода.
Если казеин обработать формалином, то его метиленовые группы становятся мостиками. Они, подобно заклепкам, сковывают молекулярные цепочки казеина и выполняют то же назначение, что и атомы серы в молекулах кератина.