El caucho reforzado es uno de los materiales más importantes de la vida moderna. Ayuda a que los neumáticos de automóviles y aviones resistan enormes presiones, mantiene en funcionamiento la maquinaria industrial y se encuentra en todo, desde dispositivos médicos hasta mangueras de jardín. A pesar de haber sido utilizado durante casi un siglo y sustentar una industria mundial de neumáticos con un valor de alrededor de 260 mil millones de dólares, los científicos nunca han entendido completamente por qué se vuelve tan poderoso cuando se mezcla con partículas de negro de carbón.
Ahora, investigadores de la Universidad del Sur de Florida dicen que finalmente han resuelto el misterio.
Dirigido por el profesor de ingeniería David Simmons, el equipo descubrió cómo pequeñas partículas de negro de humo transforman el caucho blando en un material capaz de soportar cargas enormes, incluidos aviones completamente cargados. Sus hallazgos se publican en la revista. Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
“¿Cómo es que lo hemos estado usando durante 80, 90, 100 años y no sabemos realmente cómo funciona?” Dijo Simmons. “Ha pasado por muchas pruebas y errores. Las empresas de neumáticos pueden comprar diferentes grados de negro de carbón (básicamente tintas elegantes) y sólo tienen que usar prueba y error para determinar por qué vale la pena pagar más y por qué no”.
Después de realizar 1.500 simulaciones de dinámica molecular que sumaron casi 15 años de tiempo de computación, los investigadores identificaron el mecanismo clave detrás del caucho reforzado. Su trabajo también ayudó a conciliar varias teorías científicas largamente cuestionadas.
¿Por qué el negro de carbón fortalece el caucho?
La fórmula del caucho reforzado se ha mantenido prácticamente sin cambios durante décadas. Los fabricantes mezclan partículas microscópicas, generalmente negro de carbón, con caucho para hacerlo más duro, más duradero y más resistente al desgaste. Por eso la mayoría de los neumáticos son negros.
Aunque el método se ha utilizado ampliamente, los científicos han luchado durante años para explicar exactamente por qué funciona con tanta eficacia.
Algunos investigadores creían que las partículas formaban estructuras en forma de cadenas en todo el caucho. Otros argumentaron que las partículas endurecen el material circundante como si fuera pegamento. Otra teoría sugiere que las partículas esencialmente ocupan espacio, lo que obliga al caucho a expandirse de manera diferente.
Ninguna de estas explicaciones explica completamente el comportamiento del material.
Debido a que las partículas y las interacciones ocurren a escala nanométrica, es extremadamente difícil observarlas directamente. En cambio, Simmons y su equipo recrearon los procesos utilizando simulaciones informáticas avanzadas.
En colaboración con el becario postdoctoral de la USF Pierre Kawak y el estudiante de doctorado Harshad Bhapkar, Simmons modeló cómo se comportaban decenas de miles de átomos dentro del caucho resistente.
Los investigadores mejoraron los modelos de simulación anteriores para que representaran con mayor precisión la forma y distribución de las partículas de negro de carbón dentro del material.
“No es que literalmente hubiéramos tenido una simulación funcionando durante 15 años”, dijo Simmons. “Eso significa que si ejecuta un cálculo durante una hora usando su computadora portátil y utiliza toda la computadora portátil con seis núcleos, son seis horas de computación. Hemos utilizado el gran clúster informático de USF durante muchos meses con muchos, muchos núcleos”.
Física oculta dentro del caucho reforzado
El avance se centró en una propiedad llamada relación de Poisson, que describe cómo los materiales cambian de forma cuando se estiran.
Simmons compara el efecto con tirar hacia atrás el émbolo de una jeringa sellada llena de agua. Debido a que el agua resiste la compresión, tirar del émbolo crea una resistencia cada vez mayor.
El caucho se comporta de manera similar. Cuando se estira una simple banda elástica, se vuelve más delgada manteniendo el mismo volumen general.
Agregar negro de carbón cambia ese comportamiento dramáticamente.
Las partículas actúan como pequeños soportes estructurales dentro del caucho, evitando que se adelgace tanto como lo haría normalmente durante el estiramiento. Como resultado, el caucho se ve obligado a expandirse en volumen, lo que naturalmente resiste con mucha fuerza.
Según los investigadores, el caucho “lucha contra sí mismo” de forma eficaz, lo que produce un gran aumento de rigidez y resistencia.
Resolver controversias científicas de larga data
Los nuevos hallazgos no refutan las teorías anteriores sobre el caucho reforzado. Más bien, los combinan en una interpretación más amplia.
El equipo descubrió que las redes de partículas, las interacciones adhesivas y los efectos de relleno de espacio contribuyen a la resistencia del material al cambio de volumen. En lugar de conceptos en competencia, los procesos trabajan juntos como parte del mismo proceso general.
Combinando estas ideas en un marco unificado, los investigadores desarrollaron lo que describen como la primera explicación completa del refuerzo de caucho.
El gran avance no se produjo de inmediato. Las primeras versiones de las simulaciones no coinciden con los resultados experimentales del mundo real. Para mejorar la precisión, los investigadores incorporan conocimientos de estudios científicos anteriores hasta que el modelo reproduce con éxito el comportamiento observado.
Neumáticos mejorados e infraestructura más segura
Los resultados podrían tener importantes implicaciones para la fabricación de neumáticos.
Los ingenieros de neumáticos a menudo luchan con lo que se conoce como el “triángulo mágico” del diseño de neumáticos. El desafío es equilibrar la eficiencia del combustible, la tracción y la durabilidad. Mejorar una o dos cualidades a menudo reduce una tercera parte.
Hasta ahora, los fabricantes han dependido en gran medida de costosas pruebas de prueba y error para encontrar mejores combinaciones.
Con una comprensión más clara de la física subyacente, los ingenieros podrán diseñar materiales de caucho con mayor precisión. Con el tiempo, esto podría conducir a neumáticos que duren más, se adhieran más eficazmente a las carreteras en condiciones húmedas y, al mismo tiempo, mejoren la economía de combustible.
“La lucha siempre es ser mejor que dos de tres, y ahí es donde la prueba y el error te llevan tan lejos”, dijo Simmons. “Con estos resultados, estamos sentando una nueva base para el diseño racional de neumáticos”.
El impacto va más allá de los neumáticos. El caucho reforzado se utiliza ampliamente en centrales eléctricas, sistemas aeroespaciales y otras infraestructuras críticas donde las fallas del material pueden tener graves consecuencias.
Simmons señaló el desastre del transbordador espacial Challenger en 1986, que estuvo relacionado con el fallo de las juntas de goma en temperaturas frías.
“Si recuerdas, la razón por la que falló el Challenger fue una junta de goma que se enfrió demasiado”, dijo Simmons. “Muchos sistemas de energía, plantas de energía, tienen piezas de goma. Todo el mundo ha tenido una manguera de jardín que comenzó a tener fugas porque falló una junta de goma. Ahora imagine que eso sucede en una planta de energía o en una planta química”.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.
