近一百年来，增强橡胶驱动了从汽车轮胎到飞机的各类应用，但科学家们一直未能完全理解，为何添加微小的炭黑颗粒能使橡胶变得如此惊人地坚固。如今，南佛罗里达大学的研究人员利用大规模计算机模拟，终于破解了这一谜题，这些模拟耗费了相当于15年的计算时间。他们发现，炭黑会迫使橡胶在拉伸时“自我对抗”，从而显著提升其强度和耐用性。
现在，南佛罗里达大学的研究人员表示，他们终于解开了这个谜团。
由工程学教授David Simmons领导的团队揭示了微小的炭黑颗粒如何将软橡胶转化为能够承受巨大载荷（包括满载飞机）的材料。他们的研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。
“我们使用了这项技术80年、90年甚至100年，却一直不太清楚它究竟是如何起作用的，这怎么可能呢？”Simmons说道，“一直以来都是通过大量的试错。轮胎公司可以购买许多不同等级的炭黑——基本上就是特制的烟灰——他们只能通过反复试验来弄清楚哪些值得花更多钱，哪些不值得。”
在进行了1500次分子动力学模拟（累计约15年的计算时间）后，研究人员确定了增强橡胶背后的关键机制。他们的工作还有助于调和几个长期竞争的科学理论。
为什么炭黑能让橡胶更强
几十年来，增强橡胶的配方基本保持不变。制造商将微小颗粒（通常是炭黑）混入橡胶中，使其更坚韧、更耐用且更耐磨。这也是大多数轮胎呈黑色的原因。
尽管该方法已得到广泛应用，但科学家们多年来一直难以确切解释为何它如此有效。
一些研究人员认为颗粒在整个橡胶中形成了链状结构。另一些人则认为颗粒像胶水一样硬化了周围的材料。还有一种理论认为颗粒主要占据了空间，迫使橡胶以不同的方式拉伸。
这些解释中没有一个能完全解释该材料的行为。
由于颗粒及其相互作用发生在纳米尺度上，直接观察它们极其困难。因此，Simmons和他的团队利用先进的计算机模拟重现了这些过程。
Simmons与南佛罗里达大学博士后学者Pierre Kawak及博士生Harshad Bhapkar合作，模拟了数十万个原子在增强橡胶内部的行为。
研究人员改进了早期的模拟模型，使其能更准确地呈现材料内部炭黑颗粒的形状和分布。
“并不是说我们真的让一个模拟运行了15年，”Simmons说，“这意思是说，如果你用笔记本电脑运行一个小时的计算，并且用尽了整个笔记本的六个核心，那就是六个计算小时。我们使用了南佛罗里达大学拥有许多许多核心的大型计算集群，运行了好几个月。”
增强橡胶内部的隐秘物理学
这一突破集中在一种称为“泊松比”的特性上，它描述了材料在拉伸时如何改变形状。
Simmons将这种效应比作向后拉动装有水的密封注射器的活塞。因为水抵抗压缩，拉动活塞会产生越来越大的阻力。
橡胶的表现与之类似。当普通橡皮筋被拉伸时，它会变细，同时基本保持相同的总体积。
添加炭黑极大地改变了这种行为。
这些颗粒就像橡胶内部微小的结构支撑，防止它在拉伸时像往常那样变细。结果，橡胶被迫发生体积膨胀，而这是它天然极力抵抗的。
据研究人员介绍，橡胶实际上是在“对抗自己”，从而大幅增加了刚度和强度。
解决长期的科学争论
新发现并没有否定先前关于增强橡胶的理论。相反，它们将这些理论结合成了一个更广泛的解释。
团队发现，粒子网络、粘附相互作用和空间填充效应都有助于材料抵抗体积变化。这些机制并非相互竞争的观点，而是作为同一整体过程的组成部分协同工作。
通过将这些概念整合到一个统一的框架中，研究人员开发出了他们所描述的首个关于橡胶增强的完整解释。
这一突破并非一蹴而就。早期版本的模拟未能与实验结果相匹配。为了提高准确性，研究人员结合了早期科学研究的见解，直到模型成功重现了观测到的行为。
更好的轮胎与更安全的基础设施
这些发现可能对轮胎制造产生重大影响。
轮胎工程师经常要应对所谓的轮胎设计“魔幻三角”难题。挑战在于平衡燃油效率、牵引力和耐用性。提升其中一两项品质往往会削弱第三项。
直到现在，制造商仍严重依赖昂贵的试错测试来寻找更好的组合。
随着对潜在物理原理有了更清晰的理解，工程师们或许能够更精确地设计橡胶材料。这最终可能带来更耐用、在湿滑路面上抓地力更强，且同时能提高燃油经济性的轮胎。
“困难一直在于如何让这三项指标中的两项以上表现良好，而试错法的作用也就仅限于此，”Simmons说，“有了这些发现，我们正在为理性设计轮胎奠定新的基础。”
其意义远不止于轮胎。增强橡胶广泛应用于发电厂、航空航天系统和其他关键基础设施中，在这些领域，材料失效可能带来严重后果。
Simmons提到了1986年挑战者号航天飞机灾难，该事故与低温下橡胶密封圈失效有关。
“如果你记得的话，挑战者号失事的原因就是一个橡胶密封圈变得太冷了，”Simmons说，“许多能源系统、发电厂都有橡胶部件。每个人都遇到过花园软管因为橡胶垫圈失效而开始漏水的情况。现在想象一下这种情况发生在发电厂或化工厂里。”
该研究得到了美国能源部科学局的支持。