Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben einen Durchbruch in der Materialwissenschaft erzielt: Sie entwickelten einen Gummi, der auch nach häufiger Dehnung kaum Risse bildet. Diese Entdeckung könnte die Lebensdauer von Gummiprodukten wie Reifen verlängern und zur Reduzierung von Umweltverschmutzung durch abgeriebene Gummipartikel beitragen.
Natürlicher Gummilatex ist weich und dehnbar. Für Anwendungen wie Reifen, Schläuche und Dämpfer wird Gummi jedoch oft mit starren Partikeln wie Ruß oder Silica verstärkt. Diese Zusätze erhöhen zwar die Steifigkeit des Gummis, verbessern jedoch nicht dessen Beständigkeit gegen Rissbildung bei zyklischer Dehnung – ein Aspekt, der als Ermüdungsschwelle bekannt ist.
Seit den 1950er Jahren hat sich die Ermüdungsschwelle von partikelverstärktem Gummi kaum verbessert. Das bedeutet, dass trotz Verbesserungen bei Reifen, die den Verschleißwiderstand erhöhen und den Kraftstoffverbrauch senken, kleine Risse große Mengen an Gummipartikeln in die Umwelt abgeben können, was zu Luftverschmutzung und Ansammlungen in Flüssen und Seen führt.
In früheren Forschungen hatte das Team unter der Leitung von Zhigang Suo, Allen E. und Marilyn M. Puckett Professor für Mechanik und Materialien bei SEAS, die Ermüdungsschwelle von Gummi durch Verlängerung der Polymerketten und Verdichtung von Verflechtungen erheblich erhöht. Doch wie steht es mit partikelverstärktem Gummi?
Das Team fügte Silicapartikel zu ihrem hoch verflochtenen Gummi hinzu und ging davon aus, dass die Partikel die Steifigkeit erhöhen, aber die Ermüdungsschwelle unverändert lassen würden – wie in der Literatur üblicherweise berichtet. Doch das Ergebnis überraschte sie.
„Es war eine große Überraschung“, sagte Jason Steck, ehemaliger Doktorand bei SEAS und Co-Erster Autor der Studie. „Wir hatten nicht erwartet, dass das Hinzufügen von Partikeln die Ermüdungsschwelle erhöhen würde, aber wir entdeckten, dass sie sich um das Zehnfache erhöhte.“
Im Material des Harvard-Teams sind die Polymerketten lang und stark verflochten, während die Partikel gebündelt und kovalent mit den Polymerketten verbunden sind.
„Es stellt sich heraus“, sagte Junsoo Kim, ehemaliger Doktorand bei SEAS und ebenfalls Co-Erster Autor der Studie, „dass dieses Material den Stress um einen Riss auf zwei Längenskalen dekonzentriert: auf der Skala der Polymerketten und auf der Skala der Partikel. Diese Kombination stoppt das Wachstum eines Risses im Material.“
Das Team demonstrierte ihren Ansatz, indem es einen Riss in ein Stück ihres Materials schnitt und es zehntausende Male dehnte. In ihren Experimenten wuchs der Riss nie weiter.
„Unser Ansatz der mehrskaligen Stressdekonzentration erweitert den Raum der Materialeigenschaften und eröffnet Türen zur Reduzierung der Polymer-Verschmutzung und zum Bau leistungsfähiger weicher Maschinen“, sagte Suo, leitender Autor der Studie.
„Traditionelle Ansätze zur Entwicklung neuer elastomerer Materialien haben diese wichtigen Erkenntnisse über die Nutzung mehrskaliger Stressdekonzentration zur Erzielung hochleistungsfähiger elastomerer Materialien für breite industrielle Anwendungen übersehen“, sagte Yakov Kutsovsky, Experte im Büro für Technologieentwicklung der Harvard University und Mitautor der Studie. „Die in dieser Arbeit entwickelten und demonstrierten Designprinzipien könnten in einer breiten Palette von Industrien Anwendung finden, einschließlich hochvolumiger Anwendungen
