رمزگشایی از راز ۱۰۰ ساله دوام لاستیک‌ها

صدها سال، دانشمندان هرگز کاملاً نفهمیدند که چرا افزودن ذرات بسیار ریز کربن سیاه، لاستیک را تا این حد بادوام می‌کند.

نزدیک به یک قرن است که لاستیک تقویت‌شده یک ماده ضروری در زندگی مدرن بوده و لاستیک‌های خودرو و هواپیما را قادر می‌سازد تا در برابر فشار بسیار زیاد مقاومت کنند و عملکرد سیستم‌های ماشین‌آلات صنعتی را حفظ کنند.

با این حال، دانشمندان هرگز به طور کامل نفهمیده‌اند که چرا افزودن ذرات بسیار ریز کربن سیاه، لاستیک را تا این حد بادوام می‌کند.

اکنون، این راز رسماً حل شده است و فرصت‌هایی را برای تولید لاستیک‌ها و مواد صنعتی ایمن‌تر و کم‌مصرف‌تر فراهم می‌کند.

یک تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور دیوید سیمونز، مهندس دانشگاه فلوریدای جنوبی (ایالات متحده آمریکا)، مکانیسم پنهان درون این ماده را کشف کرده است. نتایج این تحقیق اخیراً در مجله علمی Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.

پروفسور سیمونز گفت: «چطور است که ما ۸۰، ۹۰، ۱۰۰ سال است که از این استفاده می‌کنیم و واقعاً نفهمیده‌ایم که چگونه کار می‌کند؟ این فرآیند عظیمی از آزمون و خطا را پشت سر گذاشته است. شرکت‌های تایر می‌توانند انواع مختلفی از کربن سیاه - اساساً دوده درجه بالا - را خریداری کنند و آنها فقط باید از آزمون و خطا استفاده کنند تا بفهمند چه چیزی ارزش پرداخت بیشتر را دارد و چه چیزی ندارد.»

از آنجا که ذرات دوده و برهمکنش‌های آنها در مقیاس نانو رخ می‌دهد، مشاهده مستقیم آن بسیار دشوار است.

برای حل این مشکل، تیم تحقیقاتی ۱۵۰۰ شبیه‌سازی دینامیک مولکولی انجام داد و رفتار صدها هزار اتم درون لاستیک تقویت‌شده را مدل‌سازی کرد.

کلید این موفقیت در یک ویژگی فیزیکی به نام نسبت پواسون نهفته است که نحوه تغییر شکل مواد هنگام کشش را توصیف می‌کند. وقتی یک کش لاستیکی معمولی کشیده می‌شود، نازک می‌شود اما تا حد زیادی حجم کلی آن ثابت می‌ماند. با این حال، افزودن کربن سیاه این رفتار را به طور قابل توجهی تغییر می‌دهد.

ذرات دوده به عنوان تکیه‌گاه‌های ساختاری میکروسکوپی درون لاستیک عمل می‌کنند و از نازک شدن آن به حالت عادی هنگام کشش جلوگیری می‌کنند. در نتیجه، لاستیک مجبور به افزایش حجم می‌شود - حالتی که خود ماده به شدت در برابر آن مقاومت می‌کند.

به گفته محققان، لاستیک در واقع "با خودش مبارزه می‌کند" و در نتیجه افزایش قابل توجهی در سختی و دوام آن ایجاد می‌کند.

این یافته نظریه‌های علمی قبلی را رد نمی‌کند، بلکه همه آنها را در یک توضیح کامل ترکیب می‌کند. تیم تحقیقاتی دریافت که شبکه ذرات، برهمکنش‌های منسجم و اثرات پر کردن فضا، همگی در توانایی ماده در مقاومت در برابر تغییرات حجم نقش دارند.

این درک جدید پیامدهای عظیمی برای صنعت تولید تایر دارد. مهندسان اغلب با «مثلث جادویی» در طراحی تایر دست و پنجه نرم می‌کنند: تعادل بین بهره‌وری سوخت، چسبندگی و دوام.

بهبود یک یا دو عامل اغلب منجر به کاهش عامل سوم می‌شود. سیمونز اظهار داشت: «با این یافته‌ها، ما پایه جدیدی برای طراحی منطقی تایر بنا می‌کنیم.»

فراتر از تایرها، لاستیک تقویت‌شده به‌طور گسترده در نیروگاه‌ها، سیستم‌های هوافضا و سایر زیرساخت‌های حیاتی که در آن‌ها خرابی مواد می‌تواند عواقب فاجعه‌باری داشته باشد، استفاده می‌شود.

سیمونز در پایان گفت: «اگر به خاطر داشته باشید، دلیل شکست چلنجر سرد شدن بیش از حد یک واشر لاستیکی بود.»

«بسیاری از سیستم‌های برق و نیروگاه‌ها اجزای لاستیکی دارند. همه ما تا به حال تجربه نشت شلنگ باغبانی به دلیل پاره شدن واشر لاستیکی را داشته‌ایم. حالا تصور کنید که این اتفاق در یک نیروگاه یا یک کارخانه شیمیایی رخ دهد.»

‎‏‎ ...

(ویتنام/ویتنام+)

منبع: https://www.vietnamplus.vn/giai-ma-bi-an-100-nam-ve-do-ben-cua-lop-xe-post1110352.vnp