Tuy nhiên, giới khoa học chưa bao giờ hiểu rõ tại sao việc trộn thêm các hạt muội than siêu nhỏ lại khiến cao su trở nên vô cùng bền chắc. Giờ đây, bí ẩn này đã chính thức được giải mã, mở ra cơ hội chế tạo lốp xe và vật liệu công nghiệp an toàn, tiết kiệm nhiên liệu hơn.
Nhóm nghiên cứu do Giáo sư kỹ thuật David Simmons dẫn đầu tại Đại học Nam Florida (Mỹ) đã tìm ra cơ chế ẩn giấu bên trong vật liệu này. Kết quả nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí khoa học Proceedings of the National Academy of Sciences.
"Làm thế nào mà chúng ta đã sử dụng thứ này trong 80, 90, 100 năm và chưa thực sự biết nó hoạt động như thế nào?" Giáo sư Simmons nói. "Nó đã trải qua quá trình thử và sai khổng lồ. Các công ty lốp xe có thể mua nhiều loại muội than khác nhau - về cơ bản là bồ hóng cao cấp - và họ chỉ phải sử dụng phương pháp thử và sai để tìm ra cái gì đáng trả nhiều tiền hơn và cái gì không".
Vì các hạt muội than và sự tương tác của chúng xảy ra ở cấp độ nano, việc quan sát trực tiếp là vô cùng khó khăn. Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu đã thực hiện 1.500 mô phỏng động lực học phân tử, lập mô hình hành vi của hàng trăm nghìn nguyên tử bên trong cao su gia cường.
Chìa khóa của sự đột phá nằm ở một đặc tính vật lý gọi là tỷ lệ Poisson, mô tả cách vật liệu thay đổi hình dạng khi bị kéo căng. Khi một sợi dây thun thông thường bị kéo căng, nó sẽ mỏng đi nhưng phần lớn vẫn duy trì cùng một thể tích tổng thể. Tuy nhiên, việc thêm muội than làm thay đổi đáng kể hành vi đó.
Các hạt muội than hoạt động như những giá đỡ cấu trúc siêu nhỏ bên trong cao su, ngăn không cho nó mỏng đi như bình thường khi bị kéo căng. Kết quả là, cao su bị buộc phải giãn nở về thể tích – một trạng thái mà bản thân vật liệu này kháng cự lại rất mạnh mẽ. Theo các nhà nghiên cứu, cao su thực sự "chiến đấu chống lại chính nó", từ đó tạo ra sự gia tăng lớn về độ cứng và độ bền.
Phát hiện này không bác bỏ các lý thuyết khoa học trước đây, mà kết hợp tất cả lại thành một lời giải thích hoàn chỉnh. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng mạng lưới hạt, tương tác kết dính và hiệu ứng lấp đầy không gian đều cùng đóng góp vào khả năng chống lại sự thay đổi thể tích của vật liệu.
Sự hiểu biết mới này mang ý nghĩa to lớn đối với ngành sản xuất lốp xe. Các kỹ sư thường phải vật lộn với "Tam giác ma thuật" trong thiết kế lốp: sự cân bằng giữa hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu, độ bám đường và độ bền. Việc cải thiện một hoặc hai yếu tố thường làm giảm yếu tố thứ ba. Ông Simmons nhận định: "Với những phát hiện này, chúng tôi đang đặt một nền tảng mới cho việc thiết kế lốp xe một cách hợp lý."
Không chỉ dừng lại ở lốp xe, cao su gia cường còn được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện, hệ thống hàng không vũ trụ và các cơ sở hạ tầng quan trọng khác, nơi sự cố vật liệu có thể dẫn đến hậu quả thảm khốc.
"Nếu bạn nhớ, lý do tàu Challenger thất bại là do một miếng đệm cao su trở nên quá lạnh," ông Simmons kết luận. "Rất nhiều hệ thống năng lượng, nhà máy điện có các bộ phận bằng cao su. Mọi người đều từng có một ống tưới vườn bắt đầu rò rỉ vì một miếng đệm cao su bị hỏng. Bây giờ hãy tưởng tượng điều đó xảy ra trong một nhà máy điện hoặc một nhà máy hóa chất".