La gomma naturale, ottenuta dal lattice, è un materiale morbido ed elastico. Per molteplici applicazioni, come pneumatici, tubi e ammortizzatori, la gomma viene rinforzata con particelle rigide, come il nero di carbonio e la silice. Da quando sono state introdotte, queste particelle hanno notevolmente migliorato la rigidità della gomma, ma non la sua resistenza alla crescita delle crepe quando il materiale è sottoposto a sollecitazioni cicliche, 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. Questo 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, causando inquinamento atmosferico per gli esseri umani e accumulandosi in fiumi e corsi d’acqua.
Un nuovo approccio multiscale
Un team di ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ha sviluppato un nuovo approccio multiscale che consente alla gomma rinforzata con particelle di sopportare carichi elevati e resistere alla crescita delle crepe durante l’uso ripetuto. Questo approccio potrebbe non solo aumentare la longevità dei prodotti in gomma, come gli pneumatici, ma anche ridurre la quantità di inquinamento causato dalle particelle di gomma che si staccano durante l’uso.
Un aumento significativo della soglia di fatica
Nella ricerca precedente, il team guidato da Zhigang Suo, professore di meccanica e materiali alla SEAS, aveva notevolmente aumentato la soglia di fatica della gomma allungando le catene polimeriche e densificando gli intrecci. Ma cosa succede con la gomma rinforzata con particelle?
Il team ha aggiunto particelle di silice alla loro gomma altamente intrecciata, pensando 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 sorpresa”, ha detto Jason Steck, ex studente di dottorato alla SEAS e co-primo autore dell’articolo. “Non ci aspettavamo che l’aggiunta di particelle aumentasse la soglia di fatica, ma abbiamo scoperto che è aumentata di un fattore dieci”. Steck è ora un ingegnere di ricerca presso GE Aerospace.
Nel materiale del team di Harvard, le catene polimeriche sono lunghe e altamente intrecciate, mentre le particelle sono raggruppate e legate covalentemente alle catene polimeriche.
“Come si è scoperto”, ha detto Junsoo Kim, ex studente di dottorato alla SEAS e co-primo autore dell’articolo, “questo materiale deconcentra lo stress intorno a una crepa su due scale: la scala delle catene polimeriche e la scala delle particelle. Questa combinazione ferma la crescita di una crepa nel materiale”.
Kim è ora professore assistente di ingegneria meccanica alla Northwestern University.
Test e applicazioni
Il team ha dimostrato il loro approccio tagliando una crepa in un pezzo del loro materiale e poi stirandolo decine di migliaia di volte. Nei loro esperimenti, la crepa non è mai cresciuta.
“Il nostro approccio di deconcentrazione dello stress multiscale espande lo spazio delle proprietà dei materiali, aprendo le porte alla riduzione dell’inquinamento da polimeri e alla costruzione di macchine morbide ad alte prestazioni”, ha detto Suo, autore senior dello studio.
“Gli approcci tradizionali alla progettazione di nuovi materiali elastomerici hanno trascurato queste intuizioni critiche sull’uso della deconcentrazione dello stress multiscale per ottenere materiali elastomerici ad alte prestazioni per usi industriali ampi”, ha detto Yakov Kutsovsky, esperto presso l’Ufficio per lo Sviluppo Tecnologico di Harvard e co-autore dell’articolo. “I principi di progettazione sviluppati e dimostrati in questo lavoro potrebbero essere applicabili in una vasta gamma di industrie, inclusi usi ad alto volume come pneumatici e beni industriali in gomma, così come applicazioni emergenti come dispositivi indossabili”.
