Ученые разгадали 100-летнюю тайну резины
- Ученые из University of South Florida объяснили, почему добавление частиц технического углерода делает армированную резину чрезвычайно прочной.
- Исследование показало, что микроскопические частицы действуют как внутренние опоры, изменяя поведение резины и увеличивая ее жесткость и прочность.
Исследователи впервые объяснили, почему армированная резина становится настолько прочной. Материал используют десятилетиями – от шин до промышленных систем – но его свойства долгое время оставались непонятными.
Команда исследователей под руководством David Simmons з University of South Florida решила одну из старейших загадок материаловедения – почему добавление частиц технического углерода превращает мягкую резину в чрезвычайно прочный материал. Об этом пишет Futurity.
Смотрите также Ученые ошиблись с "квантовым" материалом и открыли новое состояние
Как ученые смогли объяснить прочность армированной резины?
Армированная резина используется почти столетие – ее можно найти в автомобильных и авиационных шинах, уплотнителях, медицинских устройствах и других изделиях. Она является ключевым элементом индустрии шин, которая оценивается примерно в 260 миллиардов долларов. Несмотря на это, механизм ее прочности долгое время оставался предметом споров.
Чтобы найти ответ, ученые провели около 1500 молекулярных симуляций. Общий объем вычислений эквивалентен примерно 15 годам работы одного компьютера. Для этого использовали вычислительные кластеры, которые позволили смоделировать взаимодействие сотен тысяч атомов внутри материала.
В результате исследователи объединили несколько предыдущих теорий и обнаружили ключевой механизм – явление, известное как коэффициент Пуассона.
Этот показатель описывает, как материал меняет форму во время растяжения. Обычно резина при растяжении становится тоньше, сохраняя почти неизменный объем. Но добавление частиц технического углерода меняет поведение.
Эти микроскопические частицы действуют как внутренние опоры, которые не дают материалу сужаться. В результате во время растяжения резина вынуждена увеличивать свой объем – а это то, чему она активно сопротивляется. Именно этот внутренний "конфликт" и обеспечивает резкий рост жесткости и прочности.
Ранее ученые выдвигали разные объяснения – от образования сетей внутри резины до эффекта "склеивания" или просто заполнения пространства частицами. Ни одна из этих теорий по отдельности не могла объяснить все свойства материала. Новое исследование показало, что все эти механизмы работают вместе как части единой системы.
Практическое значение открытия может быть значительным. В производстве шин существует так называемый "магический треугольник" – баланс между сцеплением, долговечностью и топливной эффективностью. Улучшение одного параметра обычно ухудшает другие.
Как говорится в исследовании University of South Florida, до этого производители вынуждены были полагаться на метод проб и ошибок. Теперь, имея четкое понимание процессов, инженеры смогут точнее проектировать материалы. Это открывает путь к созданию шин, которые одновременно служат дольше, лучше держат дорогу и уменьшают расход топлива.
Значение открытия выходит далеко за пределы автомобильной отрасли. Армированная резина используется в энергетике, промышленности и аэрокосмической сфере. В прошлом ее отказы приводили к серьезным авариям, в частности катастрофы шаттла.