Versterkt rubber is al bijna een eeuw in gebruik en is belangrijk voor toepassingen zoals banden, energiecentrales en lucht- en ruimtevaart. De bandenindustrie alleen heeft een grote economische waarde. Desondanks bleef onduidelijk waarom het toevoegen van microscopische deeltjes rubber zo veel sterker maakt.
Een onderzoeksteam van de University of South Florida, geleid door David Simmons en met onderzoekers zoals postdoc Pierre Kawak en promovendi Harshad Bhapkar, loste dit raadsel deels op. De groep publiceerde de bevindingen in Proceedings of the National Academy of Sciences. Ze voerden 1.500 moleculaire-dynamica-simulaties uit, in totaal goed voor ongeveer 15 years rekenwerk op de USF-rekencluster, en verfijnden modellen van koolstofzwart en de verdeling ervan in rubber. De simulaties lieten zien hoe honderden duizenden atomen met elkaar interageren en maakten het mogelijk hypothesen op nanoschaal te toetsen.
De sleutel bleek samen te hangen met een ongelijkheid in de Poissonverhouding. Deze verhouding geeft aan hoe een materiaal van vorm verandert bij uitrekking. Met de deeltjes gedragen delen van het rubber zich als steunpunten die voorkomen dat het materiaal sterk dunner wordt; daardoor moet het rubber in volume toenemen en ontstaat extra weerstand. Dit mechanisme verhoogt sterkte en stijfheid. Eerdere voorstellen — zoals deeltjesnetwerken, kleverige interacties nabij deeltjes en ruimtevullende effecten — worden hierdoor niet tegengesproken maar vormen onderdelen van een verenigde verklaring.
De ontdekking kan het ontwerp van banden en andere rubberonderdelen beïnvloeden, bijvoorbeeld bij het aanpakken van de zogenaamde magische driehoek van brandstofefficintie, grip en duurzaamheid. Het onderzoek werd ondersteund door het Office of Science van het Amerikaanse Department of Energy. Bron: University of South Florida.
Moeilijke woorden
- moleculaire-dynamica-simulatie — computerberekening van bewegingen van atomen en moleculenmoleculaire-dynamica-simulaties
- Poissonverhouding — maat voor vormverandering bij uitrekking van materiaal
- koolstofzwart — fijn zwart vulmiddel dat in rubber wordt gebruikt
- interageren — elkaar beïnvloeden of op elkaar werken in systeem
- nanoschaal — zeer kleine schaal op atoom- of molecuulniveau
- rekenwerk — werk bestaande uit veel berekeningen met computers
- verfijnen — iets nauwkeuriger of preciezer maken dan eerstverfijnden
- hypothese — een voorstel dat nog getest of bewezen moet wordenhypothesen
Tip: beweeg de muisaanwijzer over gemarkeerde woorden in het artikel, of tik erop om snelle definities te zien terwijl je leest of luistert.
Discussievragen
- Hoe zou het begrip van de Poissonverhouding het ontwerp van een band concreet kunnen veranderen? Geef één of twee voorbeelden en leg kort uit.
- Welke mogelijke voor- en nadelen heeft het verhogen van sterkte en stijfheid van rubber voor grip en duurzaamheid?
- Welke extra experimenten of metingen zouden volgens jou nuttig zijn om de bevindingen uit de simulaties te bevestigen?
Gerelateerde artikelen
Nieuwe methode voor scherpere MRI-scans
Onderzoekers van Rice University en Oak Ridge National Laboratory publiceerden in The Journal of Chemical Physics een methode die moleculaire bewegingen koppelt aan signalen van klinische MRI-apparaten. De code is open source en de aanpak heeft toepassingen buiten de geneeskunde.
Metalen buizen die niet zinken
Onderzoekers van de University of Rochester ontwikkelden metalen buizen met een superhydrofob binnenoppervlak. De buizen houden een luchtbel vast en blijven zo drijven; ze werden in laboratoriumproeven robuust getest en kunnen meerdere toepassingen hebben.
