增強橡膠是現代生活中最重要的材料之一。它可以幫助汽車和飛機輪胎承受極端壓力，保持工業機械運轉，並出現在從醫療設備到花園軟管的各種領域。儘管它已經使用了近一個世紀，並支撐著價值 2,600 億美元的全球輪胎工業，但科學家從未完全理解為什麼它與炭黑顆粒混合後會變得如此強大。
現在，南佛羅裡達大學的研究人員表示，他們終於解開了這個謎團。
在工程學教授大衛·西蒙斯的帶領下，團隊發現了微小的炭黑顆粒如何將軟橡膠轉化為能夠支撐大量負載（包括滿載飛機）的材料。他們的研究結果發表在雜誌上 美國國家科學院院刊。
「為什麼我們已經使用這個方法 80 年、90 年、100 年了，但我們不知道它是如何運作的？」西蒙斯說。 “這是大量的試驗和錯誤。輪胎公司可以購買許多不同等級的炭黑——基本上是花哨的煙灰——他們必須通過試驗和錯誤來找出什麼值得花更多錢，什麼不值得。”
在運行了 1,500 次分子動力學模擬（總共約 15 年的計算時間）後，研究人員確定了增強橡膠背後的關鍵機制。他們的工作也有助於統一幾個長期存在的相互競爭的科學理論。
為什麼炭黑使橡膠更堅固
幾十年來，增強橡膠的配方基本上保持不變。製造商將微觀顆粒（通常是炭黑）與橡膠混合，使其更硬、更耐用、更耐磨。這也是大多數輪胎是黑色的原因。
儘管這種方法被廣泛使用，但科學家們多年來一直在努力解釋為什麼它如此有效。
一些研究人員認為，這些顆粒在整個橡膠中形成了鏈狀結構。其他人則認為這些顆粒像膠水一樣使周圍的材料變硬。另一種理論認為，顆粒主要佔據空間，迫使橡膠以不同的方式拉伸。
這些解釋都沒有充分考慮材料的行為。
由於粒子和相互作用發生在奈米尺度，直接觀察非常困難。相反，西蒙斯和他的團隊使用先進的電腦模擬重新創建了流程。
西蒙斯與南佛羅裡達大學博士後研究員 Pierre Kawak 和博士生 Harshad Bhapkar 合作，模擬了數十萬個原子在增強橡膠內的行為。
研究人員改進了早期的模擬模型，以更準確地表示材料內炭黑顆粒的形狀和分佈。
「這並不是說我們真的進行了 15 年的模擬，」西蒙斯說。 “這意味著，如果您使用筆記型電腦運行一個小時的計算，並且使用具有六個核心的整個筆記型電腦，那麼這將是六個計算小時。我們使用 USF 具有大量核心的大型計算集群達數月之久。”
強化橡膠內部隱藏的物理現象
這項突破集中在一種稱為泊鬆比的特性上，它描述了材料在拉伸時如何變化。
西蒙斯將這種效果比作將裝滿水的密封注射器中的柱塞拉回。由於水抵抗壓縮，拉動石膏會產生更大的阻力。
橡膠也有類似的行為。當普通橡皮筋被拉伸時，它會變得更薄，很大程度上同時保持相同的總體積。
添加炭黑會大大改變這種行為。
這些顆粒在橡膠內充當微小的結構支撐，防止橡膠像通常拉伸時那樣變薄。結果，橡膠被迫體積膨脹，這自然是很難承受的。
研究人員表示，橡膠有效地“對抗自己”，從而大大增加了剛度和強度。
解決長期存在的科學爭論
新發現並不排除先前有關增強橡膠的理論。相反，他們將它們組合成一個更大的解釋。
研究團隊發現，顆粒網絡、黏合劑相互作用和空間填充效應有助於材料抵抗體積變化。這些機制不是相互競爭的想法，而是作為同一整體流程的一部分協同工作。
透過將這些概念整合到一個統一的框架中，研究人員發展了他們所說的橡膠增強的第一個完整解釋。
進展並沒有立即發生。早期版本的模擬未能與現實世界的實驗結果相符。為了提高準確性，研究人員結合了早期科學研究的見解，直到模型成功重現了觀察到的行為。
更好的輪胎和更安全的基礎設施
這項發現可能對輪胎製造產生重大影響。
輪胎工程師經常為所謂的輪胎設計「魔力三角」而苦苦掙扎。挑戰在於平衡燃油效率、牽引力和耐用性。提高其中一兩個品質通常會降低第三個品質。
到目前為止，製造商一直依靠昂貴的試誤測試來尋找更好的組合。
透過更清楚地了解基礎物理原理，工程師也許能夠更精確地設計橡膠材料。這最終可以使輪胎使用壽命更長，在潮濕條件下更有效地保持路面，同時提高燃油經濟性。
西蒙斯說：“鬥爭總是比三分之二更好，而這就是反複試驗只能讓你走到這一步的地方。” “通過這些發現，我們為合理的輪胎設計奠定了新的基礎。”
其後果超出了輪胎的範圍。增強橡膠廣泛用於發電廠、航空航天系統和其他關鍵基礎設施，這些基礎設施的材料失效可能會造成嚴重後果。
西蒙斯指出 1986 年挑戰者號太空梭的災難，與橡膠墊圈在低溫下失效有關。
「如果你還記得的話，挑戰者號失敗的原因是橡膠墊圈太冷了，」西蒙斯說。 「很多電力系統、發電廠都有橡膠部件。每個人都有一根花園軟管，由於橡膠墊圈失效而開始洩漏。現在想像一下在發電廠或化工廠中發生的情況。”
該研究得到了美國能源部科學辦公室的支持。
