Что делает резину такой прочной? Ученые наконец-то разгадали загадку столетней давности
Наконец-то разрешена давняя загадка материаловедения, раскрыто, как микроскопические частицы коренным образом изменяют свойства резины.
Каждый раз, когда вы едете на машине, летите на самолете или даже поливаете газон, вы зависите от материала, который поддерживает современную жизнь почти столетие: армированной резины. Она используется в автомобильных и авиационных шинах, промышленных уплотнениях, медицинских приборах и бесчисленном количестве предметов повседневного обихода. Несмотря на широкое распространение и ключевую роль в мировой шинной индустрии, оборот которой составляет 260 миллиардов долларов, ученым долгое время не хватало четкого понимания того, почему она так хорошо себя зарекомендовала.
До сих пор.
Группа под руководством профессора инженерного факультета Университета Южной Флориды Дэвида Симмонса разгадала давнюю загадку материаловедения: как добавление крошечных частиц, называемых сажей, превращает мягкую, гибкую резину в материал, достаточно прочный, чтобы выдержать вес полностью загруженного реактивного самолета. Результаты исследования, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, дают объяснение и открывают путь к разработке более безопасных и долговечных материалов.
«Как так получилось, что мы используем это уже 80, 90, 100 лет и толком не знаем, как это работает?» — сказал Симмонс. «Это результат огромного количества проб и ошибок. Шиномонтажные компании могут покупать множество различных сортов технического углерода — по сути, дорогую сажу — и им приходится методом проб и ошибок выяснять, за что стоит платить больше, а за что нет».
Разгадка векового научного спора
После проведения 1500 симуляций молекулярной динамики, что эквивалентно примерно 15 годам вычислительного времени, исследователи объединили несколько конкурирующих теорий и определили лежащий в их основе механизм. Они обнаружили, что явление, известное как несоответствие коэффициента Пуассона, заставляет резину сопротивляться изменениям собственного объема.
Формула армированной резины оставалась практически неизменной на протяжении десятилетий. Когда в резину добавляют микроскопические частицы, обычно сажу, материал становится намного прочнее и долговечнее. Именно поэтому шины черные и могут выдерживать годы воздействия тепла, износа и многократных нагрузок.
Тем не менее, ученые долгое время пытались объяснить, почему это происходит, что привело к тому, что Симмонс назвал «серьезной дискуссией, которая длится уже несколько десятилетий».
Некоторые исследователи полагали, что частицы образуют цепочечные структуры внутри резины. Другие предполагали, что частицы действуют как клей, упрочняя окружающий материал. Еще одна идея заключалась в том, что частицы просто занимают пространство, заставляя резину сильнее растягиваться.
Ни одно из этих объяснений полностью не объясняло наблюдаемое поведение.
Вместо того чтобы пытаться непосредственно наблюдать эти наноразмерные процессы, что чрезвычайно сложно, Симмонс и его коллеги воссоздали их с помощью компьютерного моделирования.
Работая с постдокторантом USF Пьером Каваком и аспирантом Харшадом Бхапкаром, команда смоделировала, как сотни тысяч атомов взаимодействуют внутри армированной резины.
Они усовершенствовали существующие модели, чтобы лучше представить структуру технического углерода и его распределение в резине, что позволило им изучать материал способами, недоступными в экспериментах.
«Дело не в том, что у нас буквально работала симуляция в течение 15 лет, — сказал Симмонс. — Это означает, что если бы вы выполняли вычисления на своем ноутбуке в течение часа, и это задействовало бы весь ноутбук с шестью ядрами, то это заняло бы шесть часов вычислений. Мы использовали большой вычислительный кластер USF с множеством ядер в течение многих месяцев».
Ключевое открытие: сопротивление самой себе резины
Главное открытие связано с коэффициентом Пуассона, который описывает, как материал меняет форму при растяжении.
Симмонс сравнивает это с оттягиванием поршня герметичного шприца, наполненного водой. Поскольку воду трудно сжать, чем сильнее натяжение, тем больше сопротивление.
Резина ведет себя аналогичным образом. При растяжении типичная резиновая лента становится тоньше по мере увеличения длины, в то время как ее объем остается почти неизменным.
Однако, при добавлении частиц сажи, они действуют как крошечные опоры, ограничивающие степень истончения резины. По мере растяжения материал вынужден увеличиваться в объеме, чему он, естественно, сопротивляется.
В результате резина фактически «борется сама с собой», что приводит к значительному увеличению прочности и жесткости.
Важно отметить, что новые результаты не заменяют более ранние теории, а объединяют их.
Команда показала, что ранее предложенные идеи, включая сети частиц, адгезионные взаимодействия и эффекты заполнения пространства, вносят свой вклад в это сопротивление изменению объема. Это не отдельные объяснения, а различные аспекты одного и того же процесса.
Объединив эти идеи в единую концепцию, исследователи разработали первое полное объяснение того, как происходит армирование резины.
Этот прогресс был достигнут после того, как более ранние модели не соответствовали реальным результатам. Команда усовершенствовала свой подход, включив в него результаты прошлых исследований, в конечном итоге создав модель, которая точно соответствует наблюдаемому поведению.
Последствия для шин и не только
Полученные результаты могут иметь серьезные последствия как для производителей, так и для потребителей.
Конструкцию шин часто описывают с помощью «волшебного треугольника», который описывает задачу одновременного повышения топливной эффективности, сцепления и долговечности. Улучшение одного или двух из этих качеств обычно снижает третий.
До сих пор компании в значительной степени полагались на метод проб и ошибок для управления этими компромиссами, что является дорогостоящим и трудоемким процессом.
Благодаря более четкому пониманию принципов работы армированной резины инженеры могут проектировать материалы с большей точностью. Это может привести к созданию шин, которые будут служить дольше, лучше работать на мокрой дороге и одновременно улучшать топливную экономичность.
«Главная проблема всегда заключается в том, чтобы добиться хорошего результата более чем по двум из трех параметров, и здесь метод проб и ошибок дает лишь ограниченные результаты», — сказал Симмонс. «Благодаря этим открытиям мы закладываем новый фундамент для рационального проектирования шин».
Влияние выходит за рамки шин. Армированная резина широко используется в критически важных системах, включая электростанции и аэрокосмическую технику, где отказы могут иметь серьезные последствия.
В некоторых случаях эти отказы были катастрофическими, как, например, катастрофа космического челнока «Челленджер» в 1986 году.
«Если вы помните, причиной отказа «Челленджера» стала слишком холодная резиновая прокладка», — сказал Симмонс. «Во многих энергетических системах, на электростанциях, используются резиновые детали. У каждого бывали случаи, когда садовый шланг начинал протекать из-за выхода из строя резиновой прокладки. А теперь представьте, что это происходит на электростанции или химическом заводе».
