De første vellykkede erstatninger for elfenbensbillardkugler blev lavet med celluloid forstærket med malet kvægben

I det 19. århundrede steg markedet for elfenbensprodukter til et alarmerende punkt. Denne høje efterspørgsel førte til søgningen efter kunstige erstatninger, men elfenbens egenskaber var næsten umulige at kopiere. De vigtigste erstatninger kom fra Alexander Parkes og John Wesley Hyatt, opfinderne af den første kunstige plastik:Parkesin og celluloid.

Disse tidlige plastik blev fremstillet ved hjælp af cellulosenitrat og kamfer. Betydningen af ​​Parkesine og celluloid-objekter i plastens historie er godt forstået; af den grund er de blevet indsamlet af fremtrædende museer verden over.

Hyatts oprindelige mål var at erstatte elfenbens billardkugler. Elfenbens egenskaber blev højt værdsat, især i spillet billard, som fuldstændig afhang af mekanikken i dette materiale. Imidlertid var vanskeligheder med erhvervelse af elfenben, dets udvælgelse og transformation og dets modtagelighed for relativ fugtighed og temperaturudsving, der fører til revner og brud, ikke ideelle.

Desuden var antallet af aktører stigende, og branchen vidste, at udbuddet ikke var uudtømmeligt. I National Museum of American History ligger den originale billardbold udviklet af Hyatt. Putativt er det det første celluloidobjekt, der nogensinde er skabt, dateret til 1868, og er det grundlæggende objekt for plastindustrien. Dens sammensætning var dog ukendt.

Historikere og videnskabsmænd har skrevet om Hyatts billardkugler på grund af deres betydning i plastikkens historie. Men fordi de ikke kendte deres sammensætning, kunne de ikke fastslå, i hvilket omfang der var blevet brugt erstatningsmaterialer. I årtier blev der foreslået flere designs, såsom billardkugler lavet af ren celluloid eller billardkugler lavet af shellaksammensætninger belagt med en cellulosenitratopløsning.

Den almindelige fortolkning var, at Hyatts originale billardkugle fejlede, fordi egenskaberne af celluloid eller andre påståede materialer ikke kunne nærme sig de mekaniske egenskaber af elfenben. I en nylig undersøgelse offentliggjort i PNAS Nexus , bestemte vi sammensætningen af ​​Hyatts billardkugler og foreslog en anden fortolkning.

John Wesley Hyatts førende komposit

For at bestemme sammensætningen af ​​Hyatts originale billardkugle fra 1868 krævede vi støtte fra Smithsonian Institution, deres tilladelse til at erhverve mikroprøver, det vil sige prøver usynlige for det blotte øje, og moderne analytiske teknikker, nemlig elementære og molekylære spektroskopier og protein massefingeraftryk.

Resultaterne var overraskende:Hyatts tidlige eksperimenter med billardkugler resulterede i udviklingen af ​​et førsteklasses eksempel på et forstærket polymerkompositmateriale lavet med cellulosenitrat, en cellulosederivatpolymer, der holder bolden sammen; kamfer, et plantebaseret materiale, der fungerer som blødgører for cellulosenitrat; og malet kvægknogle, et animalsk biprodukt, der formidler de nødvendige mekaniske egenskaber til systemet.

Vi kvantificerede proportionerne mellem formalet knogle og celluloid med mikro-Fourier transformeret infrarød spektroskopi og fandt en sammenhæng med en formulering patenteret af Hyatt den 4. maj 1869, på 75 % formalet knogle til 25 % cellulosenitrat efter vægt. Vi foreslog, at denne komposit skulle kaldes forstærket celluloid. Men var det lykkedes?

En pengekugle lavet af forstærket celluloid

Ved at se nøje på de skriftlige optegnelser relateret til billardverdenen fandt vi referencer til handelsnavne på billardkugler solgt fra 1880'erne til 1960'erne, klart forskellige fra elfenben, men hvis sammensætninger også var gådefulde:Bonzolin, Crystalate og Ivorylene. Alle disse billardkugler var direkte eller indirekte relateret til Albany Billiard Ball Company, etableret af Hyatt i 1868 i Albany, New York, USA. Vi analyserede disse billardkugler og fandt ud af, at deres sammensætning var uventet i overensstemmelse med Hyatts forstærkede celluloidkomposit.

Erkendelsen af, at forstærket celluloid blev solgt i næsten 90 år, beviste den kommercielle succes for Hyatts 1868-komposit. At se på historierne omkring professionelle spillere og deres materialevalg gjorde det muligt for os at forstå, hvordan dette materiale kom ind i handel og kultur.

I starten var der fordomme mod brugen af ​​den kunstige erstatning. Spillet mellem Charles Dawson og John Roberts Jr. i 1899, kendt som århundredets kamp, ​​indbegrebet dette problem. Roberts Jr. ønskede at spille med Bonzoline, og Dawson anfægtede:"Hvem har hørt om en pengekamp af nogen betydning, der spilles med Bonzoline-bolde?"

Imidlertid var forstærkede celluloid-billardkugler mere ensartede end deres modstykker i elfenben. Denne fordel førte til forbedrede præstationer af Roberts Jr. og andre indflydelsesrige spillere. Med tiden offentliggjorde selv Dawson Bonzoline-billardkuglerne. Forstærket celluloid klarede sig godt og kostede halvdelen af ​​prisen for elfenben, hvilket fremmede væksten af ​​billardspillet over hele verden og bidrog til elefanternes overlevelse. Hyatt lavede en pengebold med sit opfindsomme skud mod en elfenbenserstatning.

En inspiration for fremtiden?

Se på en moderne billardkugle fra makroskalaen til mikroskalaen. Det er sandsynligvis sammensat af en phenol-formaldehyd-matrix, et fyldstof og andre tilsætningsstoffer - et system, der meget ligner forstærket celluloid. Selvom phenol-formaldehydplastikkens kvaliteter var afgørende for at overgå tidligere billardkuglematerialer, er der i dag rejst miljøspørgsmål om dette materiale som en plastikforurenende stof.

Hvis en ung ingeniør, ligesom John Wesley Hyatt gjorde for 155 år siden, stræber efter at udvikle et innovativt og miljømæssigt bæredygtigt alternativ til moderne billardboldmaterialer ved at bruge råmaterialer fra bioressourcer, er der en rig inspirationskilde i eksemplet fra Hyatt's. sammensætning. Ikke kun fordi det demonstrerer gennemførligheden af ​​en sådan bestræbelse, men også fordi det illustrerer de udfordringer, der skal overvindes for at opnå en transformativ opfindelse.

Denne historie er en del af Science X Dialog, hvor forskere kan rapportere resultater fra deres publicerede forskningsartikler. Besøg denne side for at få oplysninger om ScienceX Dialog og hvordan du deltager.

Flere oplysninger: Artur Neves et al., Bedste billardbold i det 19. århundrede:Kompositmaterialer lavet af celluloid og knogle som erstatning for elfenben, PNAS Nexus (2023). DOI:10.1093/pnasnexus/pgad360

Journaloplysninger: PNAS Nexus

Artur Neves har en ph.d. i bevaring og restaurering af kulturarv udstedt af NOVA University of Lissabon, Portugal, i 2023. I 2022 blev han tildelt et Fulbright-forskningsstipendium. Han var vært ved Department of History ved University of Maryland og arbejdede med kulturelle institutioner for den tværfaglige undersøgelse af celluloid arv, herunder Smithsonian Institution's National Museum of American History. Han er nu postdoc-stipendiat i projektet "Plastics Metamarphoses:reality and multiple approaches to a material", der arbejder med plastmaterialekultur i Portugal.