Muitos fenômenos e materiais familiares são, na verdade, mistérios científicos. A borracha reforçada está nessa lista há muito tempo: por que é tão eficiente em tantas aplicações, desde pneus de aeronaves até vedações industriais e dispositivos médicos? Uma equipa de engenheiros acredita que finalmente tem a resposta – e a solução unifica várias teorias sobre a resiliência da borracha.
Em um estudo publicado esta semana em Anais da Academia Nacional de Ciênciasengenheiros da Universidade do Sul da Flórida identificam o mecanismo físico por trás da versatilidade da borracha reforçada. Este materials compósito – uma combinação de partículas de borracha e negro de fumo – permaneceu praticamente inalterado ao longo do século passado devido à sua elevada rigidez e resistência. O novo estudo descobriu que a adição de partículas microscópicas à borracha transforma o materials inerentemente macio em algo “forte o suficiente para suportar o peso de um jato totalmente carregado”, de acordo com um estudo. Declaração da USF.
Esta propriedade materials vem de uma incompatibilidade no que é chamado Razão de Poissonuma métrica que outline como os materiais mudam de forma quando esticados. A equipe prevê que as descobertas orientarão pesquisas futuras sobre o projeto de materiais mais seguros e resilientes.
Se funcionar, funciona
Quimicamente falando, a borracha é um tipo de polímero, um sistema de moléculas grandes e interligadas em forma de cadeia. Essa estrutura confere à borracha sua elasticidade ou elasticidade característica e, portanto, sua ampla utilização. Em 1944, pesquisadores formalmente documentado a tendência da borracha de ficar mais rígida com aditivos de micropartículas, embora o fenômeno em si já fosse conhecido antes.
Esta fórmula para borracha reforçada é tão eficaz que cientistas, engenheiros e partes interessadas da indústria contam com ela há quase 100 anos, explicaram os investigadores no artigo. Mas os cientistas nunca chegaram a um veredicto sobre a razão pela qual essa fórmula funciona tão bem.
“Como é que usamos isso há 80, 90, 100 anos e não sabemos realmente como funciona? Passou por enormes tentativas e erros”, disse David Simmons, autor sênior do estudo e engenheiro da USF, em um comunicado. “As empresas de pneus podem comprar muitos tipos diferentes de negro de fumo… e só precisam usar tentativa e erro para descobrir o que vale a pena pagar mais e o que não vale.”
Reunindo peças do quebra-cabeça
Simmons explicou na declaração que o debate sobre este mecanismo já dura pelo menos várias décadas. Alguns argumentaram que as partículas formavam redes adicionais em forma de cadeia dentro da borracha, enquanto outros propuseram que as partículas apenas forçavam a borracha a esticar mais, ocupando espaço additional.
Para determinar qual ideia representava melhor a realidade, a equipe recriou virtualmente a estrutura molecular da borracha reforçada. Eles executaram cerca de 1.500 simulações moleculares em centenas de milhares de átomos.
Fascinantemente, a equipe descobriu que as teorias anteriores não estavam necessariamente erradas. Cada hipótese por si só não conseguiu capturar o quadro completo, mas todas elas juntas – redes de partículas, interações pegajosas e efeitos de preenchimento de espaço – contribuíram para o resultado closing.
Fórmula emborrachada
A nova e abrangente estrutura da equipe é a seguinte. A borracha resiste inerentemente a mudanças de quantity. Think about esticar um elástico; a banda fica mais fina à medida que se estende por mais tempo, mas o quantity geral permanece constante.
Quando partículas de negro de fumo são adicionadas para formar borracha reforçada, o materials compósito “luta contra si mesmo” e subsequentemente aumenta em quantity, rigidez e resistência, de acordo com o comunicado. As partículas evitam que a borracha fique mais fina quando esticada, de modo que a borracha é forçada a aumentar de quantity. Esse fenômeno é chamado de incompatibilidade de razão de Poisson, onde a borracha basicamente luta contra sua própria incompressibilidade.
As descobertas devem ajudar os fabricantes a se afastarem dos processos de tentativa e erro para criar borracha resistente, disse a equipe. Além de aumentar a eficiência industrial, o conhecimento poderá ainda orientar a construção mais segura de infra-estruturas críticas, como centrais eléctricas ou sistemas aeroespaciais.
“O razão pela qual o Challenger falhou period uma junta de borracha que esfriava muito”, disse Simmons. “Muitos sistemas de energia, usinas de energia, têm peças de borracha. Todo mundo já teve uma mangueira de jardim que começou a vazar porque uma junta de borracha falhou. Agora think about isso acontecendo em uma usina de energia ou em uma fábrica de produtos químicos.”
