Molti fenomeni e materiali familiari sono in realtà misteri scientifici. La gomma rinforzata è da tempo in quella lista: perché è così efficiente in così tante applicazioni, dai pneumatici per aerei alle guarnizioni industriali ai dispositivi medici? Un group di ingegneri ritiene di avere finalmente la risposta e la soluzione unifica varie teorie sulla resilienza della gomma.
In uno studio pubblicato questa settimana su Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienzegli ingegneri dell’Università della Florida del Sud identificano il meccanismo fisico dietro la versatilità della gomma rinforzata. Questo materiale composito, una combinazione di particelle di gomma e nerofumo, è rimasto praticamente invariato nel secolo scorso grazie alla sua elevata rigidità e resistenza. Il nuovo studio ha scoperto che l’aggiunta di particelle microscopiche alla gomma trasforma il materiale intrinsecamente morbido in qualcosa “abbastanza forte da sostenere il peso di un getto a pieno carico”, secondo un Dichiarazione dell’USF.
Questa proprietà materiale deriva da una mancata corrispondenza in ciò che viene chiamato Rapporto di Poissonuna metrica che definisce il modo in cui i materiali cambiano forma quando vengono allungati. Il group prevede che i risultati guideranno la ricerca futura sulla progettazione di materiali più sicuri e resistenti.
Se funziona, funziona
Chimicamente parlando, la gomma è un tipo di polimero, un sistema di grandi molecole simili a catene interconnesse. Questa struttura conferisce alla gomma la sua caratteristica elasticità, o elasticità, e quindi il suo ampio utilizzo. Nel 1944, i ricercatori formalmente documentato la tendenza della gomma a diventare più rigida con additivi microparticellari, sebbene il fenomeno stesso fosse noto prima.
Questa components per la gomma rinforzata è così efficace che scienziati, ingegneri e parti interessate del settore contano su di essa da quasi 100 anni, hanno spiegato i ricercatori nel documento. Ma gli scienziati non erano mai arrivati a un verdetto sul perché quella components funzionasse così bene.
“Com’è possibile che lo usiamo da 80, 90, 100 anni e non sappiamo davvero come funziona? Sono passati attraverso enormi tentativi ed errori”, ha detto in una nota David Simmons, autore senior dello studio e ingegnere della USF. “Le aziende produttrici di pneumatici possono acquistare molti gradi diversi di nerofumo… e devono semplicemente provare ed eseguire errori per capire per cosa vale la pena pagare di più e cosa no.”
Raccolta dei pezzi del puzzle
Simmons ha spiegato nella dichiarazione che il dibattito su questo meccanismo è durato almeno diversi decenni. Alcuni sostenevano che le particelle formassero ulteriori reti a catena all’interno della gomma, mentre altri suggerivano che le particelle semplicemente costringessero la gomma advert allungarsi di più occupando spazio additional.
Per determinare quale concept rappresentasse al meglio la realtà, il group ha ricreato virtualmente la struttura molecolare della gomma rinforzata. Hanno eseguito circa 1.500 simulazioni molecolari su centinaia di migliaia di atomi.
Curiosamente, il group ha scoperto che le teorie precedenti non erano necessariamente sbagliate. Ciascuna ipotesi da sola non è riuscita a catturare il quadro completo, ma tutte insieme – reti di particelle, interazioni appiccicose ed effetti di riempimento dello spazio – hanno contribuito al risultato finale.
System gommosa
Il nuovo quadro completo del group è il seguente. La gomma resiste intrinsecamente ai cambiamenti di quantity. Immagina di allungare un elastico; la fascia si assottiglia man mano che si allunga, ma il quantity complessivo rimane costante.
Quando vengono aggiunte particelle di nerofumo per formare la gomma rinforzata, il materiale composito “combatte contro se stesso” e successivamente aumenta di quantity, rigidità e resistenza, secondo la dichiarazione. Le particelle impediscono alla gomma di assottigliarsi quando viene allungata, quindi la gomma è costretta advert aumentare di quantity. Questo fenomeno è chiamato disadattamento del rapporto di Poisson, in cui la gomma sostanzialmente lotta contro la propria incomprimibilità.
I risultati dovrebbero aiutare i produttori advert abbandonare i processi di tentativi ed errori per creare gomma resistente, ha affermato il group. Oltre a incrementare l’efficienza industriale, la conoscenza potrebbe anche guidare la costruzione più sicura di infrastrutture critiche, come centrali elettriche o sistemi aerospaziali.
“IL motivo per cui lo Sfidante ha fallito period una guarnizione di gomma che diventava troppo fredda “, ha detto Simmons. “Molti sistemi energetici, centrali elettriche, hanno parti in gomma. A tutti è capitato che il tubo da giardino abbia iniziato a perdere perché una guarnizione di gomma non funzionava. Ora immagina che ciò accada in una centrale elettrica o in un impianto chimico”.
