Вчені розгадали 100-річну таємницю гуми

• Вчені з University of South Florida пояснили, чому додавання частинок технічного вуглецю робить армовану гуму надзвичайно міцною.
• Дослідження показало, що мікроскопічні частинки діють як внутрішні опори, змінюючи поведінку гуми і збільшуючи її жорсткість та міцність.

Дослідники вперше пояснили, чому армована гума стає настільки міцною. Матеріал використовують десятиліттями – від шин до промислових систем – але його властивості довгий час залишалися незрозумілими.

Команда дослідників під керівництвом David Simmons з University of South Florida розв’язала одну з найстаріших загадок матеріалознавства – чому додавання частинок технічного вуглецю перетворює м’яку гуму на надзвичайно міцний матеріал. Про це пише Futurity.

Дивіться також Вчені помилилися з "квантовим" матеріалом і відкрили новий стан

Як вчені змогли пояснити міцність армованої гуми?

Армована гума використовується майже століття – її можна знайти в автомобільних і авіаційних шинах, ущільнювачах, медичних пристроях та інших виробах. Вона є ключовим елементом індустрії шин, яка оцінюється приблизно у 260 мільярдів доларів. Попри це, механізм її міцності довгий час залишався предметом суперечок.

Щоб знайти відповідь, вчені провели близько 1500 молекулярних симуляцій. Загальний обсяг обчислень еквівалентний приблизно 15 рокам роботи одного комп’ютера. Для цього використовували обчислювальні кластери, які дозволили змоделювати взаємодію сотень тисяч атомів усередині матеріалу.

У результаті дослідники об’єднали кілька попередніх теорій і виявили ключовий механізм – явище, відоме як коефіцієнт Пуассона.

Цей показник описує, як матеріал змінює форму під час розтягування. Зазвичай гума при розтягуванні стає тоншою, зберігаючи майже незмінний об’єм. Але додавання частинок технічного вуглецю змінює поведінку.

Ці мікроскопічні частинки діють як внутрішні опори, які не дають матеріалу звужуватися. У результаті під час розтягування гума змушена збільшувати свій об’єм – а це те, чому вона активно чинить опір. Саме цей внутрішній "конфлікт" і забезпечує різке зростання жорсткості та міцності.

Раніше вчені висували різні пояснення – від утворення мереж усередині гуми до ефекту "склеювання" чи просто заповнення простору частинками. Жодна з цих теорій окремо не могла пояснити всі властивості матеріалу. Нове дослідження показало, що всі ці механізми працюють разом як частини єдиної системи.

Практичне значення відкриття може бути значним. У виробництві шин існує так званий "магічний трикутник" – баланс між зчепленням, довговічністю і паливною ефективністю. Покращення одного параметра зазвичай погіршує інші.

Як говориться в дослідженні University of South Florida, до цього виробники змушені були покладатися на метод проб і помилок. Тепер, маючи чітке розуміння процесів, інженери зможуть точніше проєктувати матеріали. Це відкриває шлях до створення шин, які одночасно служать довше, краще тримають дорогу і зменшують витрати пального.

Значення відкриття виходить далеко за межі автомобільної галузі. Армована гума використовується в енергетиці, промисловості та аерокосмічній сфері. У минулому її відмови призводили до серйозних аварій, зокрема катастрофи шатла.