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Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard han podido aumentar el umbral de fatiga del caucho reforzado con partículas, desarrollando un nuevo enfoque multiescala que permite al material soportar cargas elevadas y resistir el crecimiento de grietas. con uso repetido. Este enfoque no sólo aumenta la vida útil de los productos de caucho, como los neumáticos, sino que también puede reducir la cantidad de contaminación causada por la caída de partículas de caucho durante el uso.
La investigación se publica en naturaleza.
El látex de caucho natural es suave y elástico. Para una variedad de aplicaciones, incluidos neumáticos, mangueras y amortiguadores, el caucho se refuerza con partículas sólidas, como negro de humo y sílice. Desde su introducción, estas partículas han mejorado significativamente la tenacidad del caucho, pero no su resistencia al crecimiento de grietas cuando el material se estira periódicamente, una medida conocida como umbral de fatiga.
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De hecho, el umbral de fatiga del caucho reforzado con partículas no ha mejorado mucho desde que se midió por primera vez en la década de 1950. Esto significa que incluso con mejoras en los neumáticos que aumentan la resistencia al desgaste y reducen el consumo de combustible, pequeñas grietas pueden provocar que grandes cantidades de partículas de caucho se arrojen al medio ambiente, causando contaminación del aire humano y acumulándose en arroyos y ríos.
En investigaciones anteriores, un equipo dirigido por Zhigang Suo, profesor de Mecánica y Materiales Allen E. y Marilyn M. Puckett en SEAS, aumentó significativamente el umbral de fatiga del caucho al alargar las cadenas de polímeros y condensar los entrelazamientos. Pero ¿qué pasa con el caucho reforzado con partículas?
El equipo añadió partículas de sílice a su caucho altamente reticulado, creyendo que las partículas aumentarían la rigidez pero no afectarían el umbral de fatiga, como se cree comúnmente en la literatura. Ellos estaban equivocados.
«Fue una gran sorpresa», dijo Jason Steck, ex estudiante de posgrado de la Facultad de Ciencias Políticas y Aplicadas (SEAS) y coprimer autor del artículo. «No esperábamos que la adición de partículas aumentara el umbral de fatiga, pero descubrimos que aumentaba en un factor de diez».
Steck es ahora ingeniero de investigación en GE Aerospace.
En el material del equipo de Harvard, las cadenas de polímeros son largas y muy entrelazadas, mientras que las moléculas se agrupan y están unidas covalentemente a las cadenas de polímeros.
«Resulta que este material desconcentra la tensión alrededor de la grieta en dos escalas de longitud: la escala de las cadenas de polímero y el tamaño de las partículas», dijo Junsu Kim, ex estudiante de posgrado en SEAS y coautor del artículo. «Esta mezcla detiene el crecimiento de grietas en el material».
Kim es ahora profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad Northwestern.
El equipo demostró su enfoque cortando una grieta en una pieza de su material y luego estirándola decenas de miles de veces. En sus experimentos, la grieta nunca creció.
«Nuestro enfoque de desconcentración de tensiones a múltiples escalas expande el espacio de propiedades del material, abriendo puertas para reducir la contaminación del polímero y construir máquinas blandas de alto rendimiento», dijo Su, autor principal del estudio.
«Los enfoques tradicionales para diseñar nuevos materiales flexibles han pasado por alto estas ideas críticas de utilizar la desconcentración de tensiones multiescala para lograr materiales flexibles de alto rendimiento para usos industriales amplios», dijo Yakov Kotsovsky, experto residente en la Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard y coautor del estudio. estudiar. el papel. «Los principios de diseño desarrollados y demostrados en este trabajo podrían aplicarse en una amplia gama de industrias, incluidas aplicaciones de gran volumen como neumáticos y productos de caucho industriales, así como aplicaciones emergentes como dispositivos portátiles».
referencia: Steck J, Kim J, Kutsovsky Y, Suo Z. La desconcentración de tensiones multiescala amplifica la resistencia a la fatiga del caucho. naturaleza. 2023;624(7991):303-308. doi: 10.1038/s41586-023-06782-2
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