Как частицы делают резину крепче ^{CEFR B2}

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.