Suốt gần một thế kỷ qua, cao su gia cường đã âm thầm làm nên sức mạnh cho hàng loạt thứ chúng ta dùng hàng ngày: từ lốp ô tô, bánh xe máy bay, máy móc công nghiệp cho đến thiết bị y tế. Dù ngành công nghiệp lốp xe toàn cầu hiện trị giá khoảng 260 tỷ USD, dự báo đạt 632,8 tỷ USD vào năm 2035 theo ResearchandMarkets, các nhà khoa học vẫn chưa thực sự hiểu tại sao chỉ cần thêm những hạt muội than siêu nhỏ lại có thể khiến cao su trở nên bền bỉ và chắc chắn đến vậy. Bí ẩn trăm năm vừa được giải.
Khám phá bí mật thế kỷ của người Mỹ
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Nam Florida, Mỹ tuyên bố họ đã làm sáng tỏ cơ chế vật lý đằng sau sự bền bỉ này sau khi chạy hơn 1.500 mô phỏng động lực học phân tử – tương đương khoảng 15 năm tính toán liên tục, WE đưa tin ngày 14/5. Kết quả được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), hé lộ cách những hạt muội than li ti ngăn chặn cao su biến dạng theo cách thông thường khi chịu lực.
Dẫn dắt nghiên cứu là Giáo sư kỹ thuật David Simmons cùng đội ngũ của ông. Họ đã sử dụng công nghệ mô phỏng tiên tiến để quan sát hành vi của hàng trăm nghìn nguyên tử bên trong cao su gia cường. Công trình này thống nhất được nhiều lý thuyết trái ngược nhau mà giới khoa học tranh cãi suốt hàng thập kỷ, bao gồm mạng lưới hạt, hiệu ứng bám dính và hành vi lấp đầy không gian.
Trọng tâm của khám phá: Hệ số Poisson
Trọng tâm của khám phá nằm ở "hệ số Poisson" (Poisson's ratio) – một đặc tính vật lý mô tả vật liệu thay đổi hình dạng như thế nào khi bị kéo giãn. Bình thường, cao su khi bị kéo sẽ trở nên mỏng hơn. Nhưng khi thêm muội than (Carbon Black), những hạt này hoạt động như những "cột trụ vi mô", hạn chế sự co hẹp theo chiều ngang. Kết quả là cao su buộc phải giãn nở về thể tích thay vì chỉ thay đổi hình dạng – một điều mà chất liệu này cực kỳ ghét và kháng cự mạnh mẽ. Nhờ đó, độ cứng, độ bền và sức mạnh của cao su tăng lên đáng kể. Các nhà nghiên cứu ví von rằng cao su đang đẩy ngược lại chính sự biến dạng của bản thân mình.
Đột phá giúp tiết kiệm xăng cho ngành công nghiệp lốp xe
Khám phá của Mỹ có thể rung chuyển ngành công nghiệp lốp xe trị giá hàng trăm tỷ USD toàn cầu. Bởi trước đó, lốp xe là lĩnh vực mà các kỹ sư lâu nay vẫn phải dựa vào thử nghiệm tốn kém kiểu "thử và sai" để cân bằng ba yếu tố: tiết kiệm nhiên liệu, độ bám đường và tuổi thọ. Đây chính là "Tam giác Ma thuật" nổi tiếng trong thiết kế lốp toàn cầu. Việc hiểu rõ hơn về cơ chế vật lý của cao su gia cường sẽ giúp các nhà sản xuất sắp tới tạo ra những chiếc lốp bền hơn, bám đường tốt hơn ngay cả khi ướt, và giảm sức cản lăn để tiết kiệm xăng – đồng thời đạt được cả ba mục tiêu khó khăn này cùng lúc.
Tầm ảnh hưởng rộng lớn
Tầm ảnh hưởng không dừng lại ở ngành ô tô. Cao su gia cường được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, nhà máy điện và hạ tầng công nghiệp, nơi mà một lần hỏng hóc có thể dẫn đến thảm họa. Giáo sư Simmons còn nhắc đến Thảm họa tàu con thoi Challenger năm 1986, khi một vòng đệm cao su bị hỏng ở nhiệt độ lạnh đã góp phần gây ra tai nạn kinh hoàng. Nghiên cứu cũng khẳng định sức mạnh của điện toán hiện đại trong khoa học vật liệu. Những mô hình cũ thường không tái tạo được kết quả thực nghiệm, buộc các nhà khoa học phải liên tục tinh chỉnh cho đến khi khớp hoàn toàn với thực tế. Sau hàng thập kỷ sử dụng rộng rãi và tranh luận khoa học, một trong những vật liệu quan trọng và quen thuộc nhất của nhân loại cuối cùng cũng bắt đầu tiết lộ bí mật của mình.
