Группа под руководством профессора David Simmons из University of South Florida предложила долгожданное объяснение армирования резины и опубликовала результаты в Proceedings of the National Academy of Sciences. В исследовании также участвовали USF postdoctoral scholar Pierre Kawak и doctoral student Harshad Bhapkar. Команда выполнила около 1,500 молекулярно-динамических расчётов, суммарно примерно за 15 years вычислительного времени, используя большой вычислительный кластер USF и уточнённые модели сажи (carbon black) и её распределения в резиновом матриксе.
Моделирование показало, как сотни тысяч атомов взаимодействуют внутри армированной резины и позволило проверить идеи, которые трудно наблюдать непосредственно на наноуровне. Ключевой механизм авторы обозначили как несоответствие коэффициента Пуассона: коэффициент Пуассона описывает изменение формы материала при растяжении, и частицы сажи действуют как крошечные подпорки. Они мешают резине сильно истончаться при растяжении, вынуждая материал увеличивать объём; поскольку резина сопротивляется изменению объёма, её упругость и прочность заметно растут.
Исследователи отмечают, что прежние объяснения — сети частиц, «липкие» взаимодействия вблизи частиц и эффект заполнения пространства — не исключаются, а, наоборот, помогают объяснить поведение, связанное с сопротивлением изменению объёма. Открытие может изменить подход инженеров к проектированию шин и решению «Magic Triangle» — топливной экономичности, сцепления и долговечности — а также повлиять на другие области, включая электростанции и авиационно-космические системы. Работа поддержана US Department of Energy Office of Science.
- Ключевые элементы: модели сажи и распределение частиц.
- Большие вычисления показали атомные взаимодействия.
- Механизм объединяет прежние объяснения в одно целое.
Сложные слова
- армирование — укрепление материала добавлением твёрдых частицармирования
- коэффициент Пуассона — параметр, описывающий деформацию при растяжениикоэффициента Пуассона
- матрица — среда или основа, в которой находятся другие веществаматриксе
- молекулярно-динамический — относящийся к моделям движения атомов и молекулмолекулярно-динамических
- упругость — свойство материала сопротивляться изменению формы
- кластер — несколько связанных компьютеров для общих вычислений
- сажа — мелкий углеродный наполнитель в резиновых изделияхсажи
- несоответствие — отсутствие согласия или соответствия между величинами
Подсказка: наведите, сфокусируйтесь или нажмите на выделенные слова, чтобы увидеть краткие определения прямо во время чтения или прослушивания.
Вопросы для обсуждения
- Как вы думаете, каким образом открытие про несоответствие коэффициента Пуассона может изменить проектирование автомобильных шин? Приведите один-два примера.
- Какие преимущества и ограничения крупных молекулярно-динамических расчётов для изучения материалов вы можете назвать?
- Почему важно учитывать форму и распределение частиц сажи в резиновом матриксе при разработке новых материалов?
