Учените разкриха 100-годишната тайна на издръжливостта на автомобилните гуми

Учените от Университета на Южна Флорида най-накрая разгадаха механизма, който в продължение на почти век оставаше загадка: защо каучукът, смесен с частици технически въглерод (сажди) става толкова издръжлив. Това откритие може да доведе до създаването на по-безопасни, дълготрайни и икономични гуми, както и на други промишлени материали.

Изследователска група под ръководството на професора по инженерство Дейвид Симънс проведе 1500 симулации на молекулярна динамика, което общо се равнява на около 15 години изчислително време.

„Как е възможно да ги използваме от 80, 90, 100 години и все още да не знаем как точно работят те?“

казва Симънс

Ключът към разгадаването на тайната се крие в така наречения коефициент на Поасон, който описва как материалът променя формата си при разтягане.

При разтягане обикновената гума става по-тънка, запазвайки обема си. Добавянето на частици сажди променя това поведение: те действат като микроскопични структурни опори, пречещи на изтъняването. В резултат на това каучукът е принуден да увеличи обема си, на което оказва силна съпротива. Според учените материалът „се бори със себе си“, което води до значително увеличаване на твърдостта и якостта.

Новото проучване не опровергава предишните теории, а ги обединява. В него стана ясно, че мрежата от частици, адхезивните взаимодействия и ефектът на запълване на пространството – всичко това заедно допринася за съпротивата на материала срещу промяната на обема. Това е първото пълно обяснение на механизма на армиране на каучука.

Това откритие не се случи веднага. Първите версии на симулациите не успяваха да съответстват на реалните експериментални резултати. За да подобрят точността, изследователите включиха заключения от по-ранни научни изследвания, докато моделът не успя да възпроизведе наблюдаваното поведение.

Разбирането на физиката на процеса ще позволи на инженерите в гумената промишленост да преодолеят така наречения „магически триъгълник“ – проблема с баланса между горивната ефективност, сцеплението и дълготрайността. Вместо скъпи експерименти чрез метод на проби и грешки, вече ще бъде възможно да се проектират материали с предварително зададени свойства.

Освен за гумите, откритието е от значение за атомните електроцентрали, аерокосмическата индустрия и други критично важни инфраструктури, където повреда на гумените детайли може да доведе до катастрофа. Професор Симънс припомни катастрофата на совалката „Чалънджър“ през 1986 година, причината за която беше повреда на гумено уплътнение при ниски температури.