I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno aumentato la soglia di fatica della gomma rinforzata con particelle, sviluppando un nuovo approccio multiscala che consente al materiale di sopportare carichi elevati e resistere alla formazione di crepe in caso di uso ripetuto. Questo approccio potrebbe non solo aumentare la longevità dei prodotti in gomma come i pneumatici, ma anche ridurre la quantità di inquinamento dovuto alle particelle di gomma rilasciate durante l'uso.
La ricerca è pubblicata su Nature .
Il lattice di gomma naturale è morbido ed elastico. Per una vasta gamma di applicazioni, inclusi pneumatici, tubi flessibili e ammortizzatori, le gomme sono rinforzate da particelle rigide, come nerofumo e silice. Fin dalla loro introduzione, queste particelle hanno migliorato notevolmente la rigidità delle gomme ma non la loro resistenza alla formazione di crepe quando il materiale viene allungato ciclicamente, una misura nota come soglia di fatica.
In effetti, la soglia di fatica delle gomme rinforzate con particelle non è migliorata molto da quando è stata misurata per la prima volta negli anni ’50. Ciò significa che, nonostante i miglioramenti apportati agli pneumatici che aumentano la resistenza all'usura e riducono il consumo di carburante, piccole crepe possono rilasciare grandi quantità di particelle di gomma nell'ambiente, che causano inquinamento atmosferico per gli esseri umani e si accumulano nei corsi d'acqua e nei fiumi.
In una ricerca precedente, un team guidato da Zhigang Suo, professore di meccanica e materiali presso la SEAS, Allen E. e Marilyn M. Puckett, aveva aumentato notevolmente la soglia di fatica delle gomme allungando le catene polimeriche e densificando gli entanglements. Ma che ne dici delle gomme rinforzate con particelle?
Il team ha aggiunto particelle di silice alla gomma altamente aggrovigliata, ritenendo che le particelle avrebbero aumentato la rigidità ma non avrebbero influenzato la soglia di fatica, come comunemente riportato in letteratura. Si sbagliavano.
"È stata una vera sorpresa", ha detto Jason Steck, ex studente laureato alla SEAS e co-primo autore dell'articolo. "Non ci aspettavamo che l'aggiunta di particelle avrebbe aumentato la soglia di fatica, ma abbiamo scoperto che aumentava di un fattore 10."
Steck è ora un ingegnere ricercatore presso GE Aerospace.
Nel materiale del team di Harvard, le catene polimeriche sono lunghe e altamente aggrovigliate, mentre le particelle sono raggruppate e legate in modo covalente alle catene polimeriche.
"A quanto pare", ha detto Junsoo Kim, ex studente laureato alla SEAS e co-primo autore dell'articolo, "questo materiale deconcentra lo stress attorno a una fessura su due scale di lunghezza:la scala delle catene polimeriche e la scala delle particelle. . Questa combinazione impedisce la formazione di una fessura nel materiale."
Kim è ora professore assistente di ingegneria meccanica presso la Northwestern University.
Il team ha dimostrato il proprio approccio tagliando una crepa in un pezzo del materiale e poi allungandolo decine di migliaia di volte. Nei loro esperimenti, la crepa non è mai cresciuta.
"Il nostro approccio di deconcentrazione dello stress multiscala espande lo spazio delle proprietà dei materiali, aprendo le porte alla riduzione dell'inquinamento dei polimeri e alla costruzione di macchine morbide ad alte prestazioni", ha affermato Suo, autore senior dello studio.
"Gli approcci tradizionali alla progettazione di nuovi materiali elastomerici non hanno colto queste intuizioni fondamentali sull'uso della deconcentrazione dello stress multiscala per ottenere materiali elastomerici ad alte prestazioni per ampi usi industriali", ha affermato Yakov Kutsovsky, esperto residente presso l'Harvard Office of Technology Development e coautore di il foglio.
"I principi di progettazione sviluppati e dimostrati in questo lavoro potrebbero essere applicabili in un'ampia gamma di settori, comprese applicazioni ad alto volume come pneumatici e articoli industriali in gomma, nonché applicazioni emergenti come i dispositivi indossabili."
Kutsovsky ha precedentemente ricoperto per 15 anni il ruolo di Chief Scientific Officer e Chief Technology Officer presso Cabot Corporation.
L'Ufficio per lo sviluppo tecnologico di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale associata a questo progetto e sta esplorando opportunità di commercializzazione.
Ulteriori informazioni: Jason Steck et al, La deconcentrazione dello stress multiscala amplifica la resistenza alla fatica della gomma, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06782-2
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dalla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
