В течение почти столетия армированная резина оставалась незаменимым материалом, находя применение в шинах для автомобилей и самолетов, промышленном оборудовании, медицинских приборах и садовых шлангах. Несмотря на то, что мировая шинная индустрия, оцениваемая примерно в 260 миллиардов долларов, опирается на этот материал, фундаментальный механизм, обеспечивающий его исключительную прочность, долгое время оставался загадкой для учёных. Исследователи из Университета Южной Флориды, возглавляемые профессором инженерных дел Дэвидом Симмонсом, заявляют, что им наконец удалось разгадать эту тайну.
Команда Симмонса выяснила, каким образом частицы технического углерода, добавляемые в мягкую резину, превращают её в материал, способный выдерживать колоссальные нагрузки, включая вес загруженных самолётов. Результаты их работы были опубликованы в авторитетном издании Труды Национальной академии наук. «Почему мы используем это уже 80, 90, 100 лет и до сих пор не знаем, как это работает? — задаётся вопросом Симмонс. — Всё прошло через огромные пробы и ошибки. Производители могут закупать множество различных видов технического углерода (по сути, это необычная сажа), и им просто приходится использовать метод проб и ошибок, за что стоит платить больше, а за это нет».
После научных дебатов исследователи раскрыли скрытый механизм, который делает армированную резину такой прочной.
Формула армированной резины, по сути, оставалась неизменной на протяжении десятилетий: в резину добавляют микроскопические частицы, чаще всего углеродную сажу, что придаёт материалу повышенную прочность, влагостойкость и износоустойчивость. Именно поэтому большинство шин имеют чёрный цвет. Однако научное сообщество долгие годы не могло прийти к единому мнению о том, почему этот метод столь эффективен. Одни исследователи полагали, что частицы образуют цепочечные структуры по всей массе резины. Другие утверждали, что частицы действуют как клей, придавая жёсткость окружающему материалу. Существовала и третья теория, но все они оставались лишь гипотезами.
Разрешить этот давний научный спор удалось благодаря масштабным вычислительным экспериментам. Проведя 1500 молекулярно-динамических симуляций, которые в совокупности заняли примерно 15 лет вычислительного времени, исследователи не только идентифицировали ключевой механизм, лежащий в основе прочности армированной резины, но и сумели согласовать между собой несколько конкурирующих научных теорий, существовавших ранее. Это открытие, по мнению учёных, может проложить путь к созданию более прочных, безопасных и экономичных шин, а также промышленных материалов нового поколения.
предполагает, что частицы в основном затягивают пространство, задерживая резину по-разному растягиваясь.
Ни одно из этих наблюдений полностью не содержит материала о поведении.
Поскольку частицы и последствия происходят на наноуровне, непосредственное наблюдение за ними чрезвычайно затруднительно. Вместо этого Симмонс и его команда по южным делам, используя передовое компьютерное моделирование.
Работая вместе с постдокторантом USF Пьером Каваком и докторантом Харшадом Бхапкаром, Симмонс смоделировал, сотни тысяч атомов зарекомендовали себя внутри армированной резины.
Исследователи придерживались более ранних моделей, чтобы они более точно отображали форму и распределяли финансовые потоки внутри материала.
«Дело не в том, что у нас буквально была симуляция, работающая в течение 15 лет», — сказал он. — сказал Симмонс. «Это означает, что если вы выполнили расчет на своем ноутбуке за один час и использовали весь ноутбук с шестью ядрами, это займет шесть вычислительных часов. Мы использовали большой вычислительный кластер USF для увеличения ядер в течение многих месяцев».
Скрытая физика внутри армированной резины
Прорыв был основан на свойстве, называемом коэффициентом Пуассона, который описывает, как материалы меняют форму при определении.
Симмонс вызывает эффект оттягивания поршня закрытой шприца, наполненного водой. Поскольку вода сжимается, вытягивание плунжера создает возникающее сопротивление.
Резина ведет себя подобным образом. Когда обычную резинку растягивают, она становится тоньше, сохраняя при этом общий объем.
Добавление технического обслуживания кардинально меняет это поведение.
Частицы проявляются как мельчайшие структурные опоры внутри резины, не позволяя ей истончаться так сильно, как это обычно происходит при поставках. В результате резина вынуждена регулироваться в организме, вследствие чего она, естественно, очень сильно раздражается.
Согласно задумке, резина эффективно «борется сама с собой», т.е. добиться увеличения жесткости и прочности.
Решение давней научной дискуссии
Новые результаты не опровергают выводы об армированной резине. Вместо этого они объединяют их в более широкое объяснение.
Команда обнаружила, что сетевые частицы, адгезионная связь и эффекты обеспечивают устойчивость пространств, обеспечивающих устойчивость к изменениям объема. Вместо того, чтобы конкурировать идеи, механизмы работают вместе как части одного и того же общего процесса.
Объединив эти концепции в единой структуре, исследователи разработали то, что они поддерживают в качестве первого полного объяснения резинового вооружения.
Прорыв произошел не сразу. Ранние версии не учитываются реальными экспериментальными результатами. Чтобы повысить точность, исследователи использовали результаты более ранних научных исследований, пока модель не воспроизвела наблюдаемые результаты.
Лучшие рестораны и более безопасная инфраструктура
Результаты могут иметь серьезные последствия для производства шин.
Инженеры по шинам часто сталкиваются с тем, что известно как «Волшебный треугольник». конструкции шин. Задача состоит в том, чтобы сбалансировать топливную экономичность, тягу и питание. Улучшение одного или двух из этих показателей часто имеет третье значение.
До сих пор производители в значительной степени стремятся к более тщательному методу тестирования и ошибкам в поисках лучших комбинаций.
Имея более четкое понимание принципов физики, инженеры могут более точно проектировать резиновые материалы. В конечном итоге это может привести к тому, что линия прослужит долго, будет более эффективно сцепляться с дорогими во влажных условиях и одновременно улучшать экономику топлива.
«Всегда приходится бороться за то, чтобы больше двух из трех были хорошими, и здесь метод проб и ошибок приводит только к успеху», — сказал он. — сказал Симмонс. «Благодаря этим открытиям мы закладываем новую основу для рационального проектирования шин».
Последствия пронеслись далеко за кадром. Армированная резина широко используется на электростанциях, в аэрокосмических средствах связи и других важнейших инфраструктурах, где разрушение материалов может иметь серьезные последствия.
Симмонс сформировал катастрофу космического корабля «Челленджер» в 1986 году, которая была обеспокоена выходом из строя резиновой прокладки при низких температурах.
"Если вы помните, причиной выхода из строя Challenger была слишком холодная резиновая прокладка," — сказал Симмонс. «Многие энергосистемы, электростанции имеют резиновые детали. У каждого был садовый шланг, который начал протекать из-за поломки резиновой прокладки. А теперь представьте, что это происходит на электростанции или химическом заводе».
Исследование проводилось при поддержке Управления науки и энергетики США.