После десятилетий научных споров исследователи раскрыли скрытый механизм, благодаря которому армированная резина обладает такой высокой прочностью.

Армированная резина — один из важнейших материалов в современной жизни. Она помогает автомобильным и авиационным шинам выдерживать огромные нагрузки, обеспечивает работу промышленного оборудования и используется повсеместно — от медицинского оборудования до садовых шлангов. Несмотря на то, что этот материал используется уже почти столетие и поддерживает мировую шинную индустрию стоимостью около 260 миллиардов долларов, учёные долго не могли понять, почему он становится таким прочным при смешивании с частицами технического углерода.

Теперь исследователи из Университета Южной Флориды заявляют, что наконец-то разгадали эту загадку.

Под руководством профессора инженерных наук Дэвида Симмонса команда обнаружила, как крошечные частицы технического углерода превращают мягкую резину в материал, способный выдерживать огромные нагрузки, в том числе полностью загруженные самолёты. Их открытия были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Как так получилось, что мы используем это уже 80, 90, 100 лет, но до сих пор не знаем, как именно это работает?» — сказал Симмонс. «Это был долгий путь, полный проб и ошибок. Производители шин могут приобретать сажу самых разных сортов — по сути, это просто сажа в разных вариантах — и им приходится методом проб и ошибок выяснять, за что стоит платить больше, а за что — нет».

Проведя 1500 молекулярно-динамических симуляций, которые в сумме заняли около 15 лет вычислительного времени, исследователи выявили ключевой механизм, лежащий в основе армированной резины. Их работа также помогла примирить несколько давно соперничающих научных теорий.

Почему технический углерод делает резину прочнее

Формула армированной резины оставалась практически неизменной на протяжении десятилетий. Производители смешивают микроскопические частицы, обычно технический углерод, с резиной, чтобы сделать её более прочной, долговечной и износостойкой. Именно поэтому большинство шин чёрного цвета.

Несмотря на то, что этот метод широко применяется, учёные долгие годы пытались объяснить, почему именно он работает так эффективно.

Некоторые исследователи полагали, что частицы образуют цепочкообразные структуры по всей резине. Другие утверждали, что частицы упрочняют окружающий материал, как клей. Ещё одна теория предполагала, что частицы в основном занимают пространство, заставляя резину растягиваться иначе.

Ни одно из этих объяснений полностью не учитывало поведение материала.

Поскольку частицы и взаимодействия происходят в наномасштабе, непосредственно наблюдать за ними чрезвычайно сложно. Вместо этого Симмонс и его команда воссоздали эти процессы с помощью современных компьютерных симуляций.

Совместно с постдокторантом Университета Южной Флориды Пьером Каваком и аспирантом Харшадом Бхапкаром Симмонс смоделировал поведение сотен тысяч атомов внутри армированной резины.

Исследователи усовершенствовали предыдущие модели симуляции, чтобы они более точно отражали форму и распределение частиц технического углерода в материале.

«Дело не в том, что мы буквально запускали симуляцию на 15 лет», — пояснил Симмонс. «Это означает, что если бы вы запустили расчёт на ноутбуке на один час, и он задействовал бы все шесть ядер процессора, то это заняло бы шесть часов вычислений. Мы использовали большой вычислительный кластер USF с огромным количеством ядер в течение многих месяцев».

Скрытая физика внутри армированной резины

Прорыв был связан со свойством, называемым коэффициентом Пуассона, которое описывает, как материалы изменяют форму при растяжении.

Симмонс сравнивает этот эффект с оттягиванием поршня на закрытом шприце, наполненном водой. Поскольку вода сопротивляется сжатию, оттягивание поршня создаёт возрастающее сопротивление.

Резина ведёт себя аналогичным образом. Когда обычная резинка растягивается, она становится тоньше, при этом в основном сохраняя тот же общий объём. Добавление технического углерода кардинально меняет это поведение.

Частицы действуют как крошечные структурные опоры внутри резины, не давая ей истончаться так сильно, как это обычно происходит при растяжении. В результате резина вынуждена увеличиваться в объёме, чему она по своей природе оказывает очень сильное сопротивление.

По мнению исследователей, резина фактически «борется сама с собой», что приводит к значительному увеличению жёсткости и прочности.

Разрешение давнего научного спора

Новые открытия не опровергают предыдущие теории об армированной резине. Напротив, они объединяют их в более широкое объяснение.

Команда обнаружила, что сети частиц, адгезивные взаимодействия и эффекты заполнения пространства — всё это способствует сопротивлению материала изменениям объёма. Эти механизмы не конкурируют друг с другом, а работают вместе как части одного общего процесса.

Объединив эти концепции в единую систему, исследователи разработали то, что они описывают как первое полное объяснение армирования резины.

Прорыв произошёл не сразу. Ранние версии симуляций не соответствовали реальным экспериментальным результатам. Чтобы повысить точность, исследователи включили в модель выводы из более ранних научных исследований, пока модель не смогла успешно воспроизвести наблюдаемое поведение.

Лучшие шины и более безопасная инфраструктура

Эти открытия могут иметь серьёзные последствия для производства шин.

Инженеры-шиностроители часто сталкиваются с так называемым «волшебным треугольником» при разработке шин. Задача состоит в том, чтобы найти баланс между топливной экономичностью, сцеплением с дорогой и долговечностью. Улучшение одного или двух из этих показателей зачастую приводит к ухудшению третьего.

До сих пор производители в основном полагались на дорогостоящие испытания методом проб и ошибок в поисках оптимальных комбинаций.

Благодаря более чёткому пониманию лежащих в основе физических процессов инженеры, возможно, смогут точнее проектировать резиновые материалы. В конечном итоге это может привести к созданию шин, которые служат дольше, обеспечивают более эффективное сцепление с дорогой в условиях влажной погоды и одновременно повышают топливную экономичность.

«Задача всегда заключается в том, чтобы добиться хороших характеристик более чем двух из этих трёх параметров, и именно в этом плане метод проб и ошибок имеет свои ограничения», — сказал Симмонс. «Благодаря этим открытиям мы закладываем новую основу для рационального проектирования шин».

Последствия этого открытия выходят далеко за пределы шинной индустрии. Армированная резина широко используется на электростанциях, в аэрокосмических системах и других критически важных объектах инфраструктуры, где отказ материала может иметь серьёзные последствия.

Симмонс сослался на катастрофу космического челнока «Челленджер» в 1986 году, которая была связана с отказом резиновой прокладки при низких температурах.

«Если вы помните, причиной аварии «Челленджера» стала резиновая прокладка, которая переохладилась», — сказал Симмонс. «Во многих энергетических системах и на электростанциях есть резиновые детали. У каждого из нас был садовый шланг, который начал протекать из-за отказа резиновой прокладки. А теперь представьте, что это произошло бы на электростанции или химическом заводе».

Исследование было проведено при поддержке Управления по науке Министерства энергетики США.