På 1800-talet ökade marknaden för elfenbensprodukter till en alarmerande punkt. Denna höga efterfrågan ledde till sökandet efter konstgjorda substitut, men egenskaper hos elfenben var nästan omöjliga att replikera. De viktigaste ersättningarna kom från Alexander Parkes och John Wesley Hyatt, uppfinnare av de första konstgjorda plasterna:Parkesin och celluloid.
Dessa tidiga plaster tillverkades med cellulosanitrat och kamfer. Betydelsen av Parkesine och celluloidföremål i plastens historia är väl förstått; av den anledningen har de samlats in av framstående museer över hela världen.
Hyatts ursprungliga mål var att ersätta elfenbensbiljardbollar. Elfenbens egenskaper var högt värderade, särskilt i biljardspelet, som helt berodde på mekaniken i detta material. Men svårigheter med att förvärva elfenben, dess val och omvandling, och dess känslighet för relativ fuktighet och temperaturfluktuationer som leder till sprickbildning och brott var inte idealiska.
Dessutom ökade antalet aktörer och branschen visste att utbudet inte var outtömligt. I National Museum of American History finns den ursprungliga biljardbollen utvecklad av Hyatt. Förmodligen är det det första celluloidobjektet som någonsin skapats, daterat till 1868, och är grundobjektet för plastindustrin. Men dess sammansättning var okänd.
Historiker och vetenskapsmän har skrivit om Hyatts biljardbollar på grund av deras betydelse i plastens historia. Men eftersom de inte kände till deras sammansättning kunde de inte avgöra i vilken utsträckning ersättningsmaterial hade använts. I decennier har flera mönster föreslagits, till exempel biljardbollar gjorda av ren celluloid eller biljardbollar gjorda av schellackkompositioner belagda med en cellulosanitratlösning.
Den vanliga tolkningen var att Hyatts ursprungliga biljardboll misslyckades eftersom egenskaperna hos celluloid, eller något annat påstått material, inte kunde närma sig de mekaniska egenskaperna hos elfenben. I en nyligen publicerad studie publicerad i PNAS Nexus , bestämde vi sammansättningen av Hyatts biljardbollar och föreslog en annan tolkning.
För att bestämma sammansättningen av Hyatts ursprungliga biljardboll från 1868 krävde vi stöd från Smithsonian Institution, deras tillstånd att förvärva mikroprover, det vill säga prover osynliga för blotta ögat, och moderna analytiska tekniker, nämligen elementära och molekylära spektroskopier och protein massfingeravtryck.
Resultaten var överraskande:Hyatts tidiga experiment med biljardbollar resulterade i utvecklingen av ett utmärkt exempel på ett förstärkt polymerkompositmaterial tillverkat av cellulosanitrat, en cellulosaderivatpolymer som håller ihop bollen; kamfer, ett växtbaserat material som fungerar som mjukgörare för cellulosanitrat; och malet boskapsben, en animalisk biprodukt som förmedlar de nödvändiga mekaniska egenskaperna till systemet.
Vi kvantifierade proportionerna mellan malt ben och celluloid med mikro-Fourier transformerad infraröd spektroskopi och fann en korrelation med en formulering patenterad av Hyatt den 4 maj 1869, av 75 % malt ben till 25 % cellulosanitrat i vikt. Vi föreslog att denna komposit skulle kallas förstärkt celluloid. Men hade det lyckats?
Genom att noggrant titta på de skrivna dokumenten relaterade till biljardvärlden hittade vi referenser till handelsnamn på biljardbollar som såldes från 1880-talet till 1960-talet, klart annorlunda än elfenben, men vars kompositioner också var gåtfulla:Bonzoline, Crystalate och Ivorylene. Alla dessa biljardbollar var direkt eller indirekt relaterade till Albany Billiard Ball Company, etablerat av Hyatt 1868 i Albany, New York, USA. Vi analyserade dessa biljardbollar och fann att deras sammansättning oväntat överensstämde med Hyatts förstärkta celluloidkomposit.
Insikten om att förstärkt celluloid såldes i nästan 90 år bevisade den kommersiella framgången för Hyatts komposit från 1868. Genom att titta på berättelserna kring professionella spelare och deras materialval kunde vi förstå hur detta material kom in i handeln och kulturen.
Inledningsvis fanns det fördomar mot användningen av det konstgjorda substitutet. Spelet mellan Charles Dawson och John Roberts Jr. 1899, känd som århundradets match, symboliserade detta problem. Roberts Jr. ville spela med Bonzoline, och Dawson ifrågasatte:"Vem har hört talas om att en pengamatch av någon betydelse spelas med Bonzoline-bollar?"
Emellertid var förstärkta celluloidbiljardbollar mer enhetliga än sina motsvarigheter i elfenben. Denna fördel ledde till förbättrade prestationer av Roberts Jr. och andra inflytelserika spelare. Med tiden publicerade även Dawson Bonzoline-biljardbollarna. Förstärkt celluloid fungerade bra och kostade halva priset på elfenben, vilket främjade tillväxten av biljardspelet över hela världen och bidrog till elefanternas överlevnad. Hyatt gjorde en pengaboll med sitt uppfinningsrika skott mot en ersättare i elfenben.
Titta på en modern biljardboll från makroskalan till mikroskalan. Det är sannolikt sammansatt av en fenol-formaldehyd-matris, ett fyllmedel och andra tillsatser - ett mycket liknande system som förstärkt celluloid. Även om egenskaperna hos fenol-formaldehydplaster var avgörande för att överträffa tidigare biljardbollsmaterial, har miljöfrågor nu väckts om detta material som en plastförorening.
Om en ung ingenjör, ungefär som John Wesley Hyatt gjorde för 155 år sedan, strävar efter att utveckla ett innovativt och miljömässigt hållbart alternativ till samtida biljardbollsmaterial genom att använda råvaror som härrör från bioresurser, finns det en rik inspirationskälla i exemplet som Hyatt's satte upp. sammansättning. Inte bara för att det visar genomförbarheten av en sådan strävan utan också för att det illustrerar de utmaningar som måste övervinnas för att åstadkomma en transformativ uppfinning.
Den här historien är en del av Science X Dialog, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om ScienceX Dialog och hur du deltar.
Mer information: Artur Neves et al, Bästa biljardbollen på 1800-talet:Kompositmaterial gjorda av celluloid och ben som ersättning för elfenben, PNAS Nexus (2023). DOI:10.1093/pnasnexus/pgad360
Journalinformation: PNAS Nexus
Artur Neves har en doktorsexamen i bevarande och restaurering av kulturarvet beviljad av NOVA University of Lissabon, Portugal, 2023. 2022 tilldelades han ett Fulbright-forskningsstipendium. Han var värd av Department of History vid University of Maryland och arbetade med kulturinstitutioner för tvärvetenskapliga studier av celluloidarv, inklusive Smithsonian Institution's National Museum of American History. Han är nu postdoktor i projektet "Plastics Metamarphoses:reality and multiple approaches to a material" som arbetar med plastmaterialkultur i Portugal.
