增強橡膠是現代生活最重要的材料之一。它可以幫助汽車和飛機輪胎承受巨大的壓力，保持工業機械的運轉，並且廣泛應用於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，並支持了價值約 2600 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有效。
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。
由工程教授大衛·西蒙斯（David Simmons）領導的團隊揭示了微小的炭黑顆粒如何將軟橡膠轉化為可以支撐大有效載荷（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。 「這是透過大量的試驗和錯誤發生的。輪胎公司可以購買許多不同等級的炭黑（基本上是花式煙灰），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。”
在進行了 1,500 次分子動力學模擬（相當於約 15 年的計算時間）後，研究人員確定了增強橡膠背後的基本機制。他的工作也幫助協調了許多長期競爭的科學理論。
為什麼炭黑會讓輪胎更堅固？
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）混合到橡膠混合物中，使其更硬、更耐用、更耐磨。這就是為什麼大多數輪胎都是黑色的。
儘管這種方法被廣泛使用，但多年來科學家一直在努力解釋它為何如此有效。
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會像膠水一樣硬化周圍的材料。另一種理論認為，顆粒本質上佔據了空間，迫使橡膠以不同的方式彎曲。
這些解釋都沒有完全解釋材料的行為。
由於粒子和相互作用發生在奈米尺度，因此直接觀察它們極為困難。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中的行為。
研究人員改進了先前的模擬模型，以更準確地表示材料內炭黑顆粒的形狀和分佈。
「我們已經 15 年沒有真正進行過有效的模擬了，」西蒙斯說。 “這意味著，如果您使用筆記型電腦進行一小時的計算，並且它消耗了整個六核筆記本電腦，則需要六個計算小時。我們使用南佛羅裡達大學的多核大型計算集群達數月之久。”
強化橡膠內部隱藏的物理現象
這項發現集中在一種稱為泊鬆比的特性，它描述了材料在拉伸時如何改變形狀。
西蒙斯將這種效果比喻為拉回裝滿水的封閉注射器的柱塞。由於水俱有抗壓縮性，拉動活塞會導致阻力增加。
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，同時整體體積基本上保持不變。
炭黑的添加顯著改變了這種行為。
這些顆粒就像橡膠內的微小結構支撐，防止橡膠在彎曲過程中變得像平常那樣薄。結果，橡膠的體積被迫膨脹，這自然提供了非常強的阻力。
研究人員表示，橡膠“與自身作鬥爭”，硬度和耐用性大幅提高。
解決長期的科學爭論
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廣泛的聲明。
研究團隊發現，顆粒網絡、黏合劑交互作用和空間填充效應都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。
研究人員將這些概念整合到一個統一的框架中，並發展了他們所說的第一個完整的橡膠增強描述。
這項突破並不是立即發生的。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，研究人員結合了先前科學研究的訊息，直到模型成功地再現了觀察到的行為。
更好的輪胎和更安全的基礎設施
這些發現可能對輪胎生產產生重要影響。
輪胎工程師經常處理所謂的輪胎設計「魔力三角」。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，製造商一直嚴重依賴成本高昂的試誤測試來尋找更好的組合。
透過對基礎物理有了更清晰的了解，工程師可以更精確地設計橡膠材料。這可以使輪胎使用壽命更長，在濕滑路面上抓地力更好，並提高燃油經濟性。
「我們要努力確保三分之二以上的人都安然無恙，而反覆試驗只能讓你走到這一步，」西蒙斯說。 “有了這些發現，我們為合理設計輪胎奠定了新的基礎。”
它們的影響遠遠超出了輪胎的範圍。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。
西蒙斯注意到 1986 年挑戰者號太空梭的災難；這場災難與橡膠密封件在寒冷天氣下失效有關。
「如果你還記得的話，挑戰者號失敗的原因是橡膠墊圈太冷，」西蒙斯說。 “在許多電力系統中，發電廠都有橡膠部件。每個人都有一根花園軟管，由於橡膠密封件失效而開始洩漏。現在想像一下這種情況發生在發電廠或化工廠中。”
該研究得到了美國能源部科學辦公室的支持。
