Несмотря на широчайшее распространение армированной резины, на протяжении более чем столетия ученые точно не понимали, почему добавление к резине частиц углеродной сажи так сильно повышает ее прочность. Команда инженеров из Университета Южной Флориды наконец-то разгадала эту загадку.
Классическая рецептура резиновой покрышки проста: в полимерную матрицу вводят мельчайшие частицы технического углерода — сажи. Шины благодаря этому становятся прочнее, устойчивее к износу — и именно благодаря саже, кстати, они черные. Но специалисты не могли понять, что именно происходит в материале на микроскопическом уровне. Одни ученые считали, что частицы сажи образуют в резине своеобразный каркас в виде «цепочек». Другие — что они действуют словно клей, отверждая окружающий полимер. Третьи — что частицы просто заполняют объем, из-за чего резина деформируется иначе. Ни одна из этих гипотез по отдельности не объясняла все наблюдаемые свойства.
Непосредственно «увидеть» структуру шины в наномасштабе сложно, поэтому команда ученых под руководством профессора Дэвида Симмонса вместе с постдоком Пьером Каваком и аспирантом Харшадом Бхапкаром прибегла к молекулярной динамике — детальному компьютерному моделированию поведения сотен тысяч атомов. Ученые усовершенствовали прежние модели, более точно задав форму и распределение частиц углерода внутри материала. Команда провела около 1 500 вычислительных моделирований на уровне атомов — в сумме это эквивалентно примерно 15 годам машинного времени.
Ключ к разгадке, как оказалось, скрывался в физической характеристике под названием коэффициент Пуассона — он описывает, как меняются поперечные размеры материала при растяжении. Обычная резина при растяжении вытягивается и истончается, сохраняя примерно тот же объем, как вода в шприце, которую трудно сжать, но легко «растянуть» по форме сосуда. Когда в резину добавляют технический углерод, эти частицы работают как крошечные подпорки: они мешают материалу сильно истончаться поперек. В итоге при растяжении ему «приходится» увеличивать объем, чему он активно сопротивляется. По сути, резина начинает «бороться сама с собой», что резко повышает ее жесткость и несущую способность.
Моделирование показало, что все ранее предложенные механизмы — образование сети частиц, их «клеевое» взаимодействие с полимером и эффект заполнения объема — на самом деле не конкурируют, а совместно способствуют усилению сопротивления изменению объема. Именно этот комплексный эффект и делает армированную резину столь прочной.
Для отрасли, чей мировой объем оценивается примерно в 260 млрд долларов, понимание фундаментальной физики материала — не только академический интерес. Точное знание теории процессов поможет компаниям-производителям шин уйти от дорогостоящего метода проб и ошибок при подборе марок технического углерода и создавать более надежные, долговечные и, возможно, даже более экологичные резиновые композиты.
Ранее ученые из России и Китая превратили старые шины в наноматериалы и водород.