Hay muchos materiales y fenómenos conocidos que encierran misterios científicos. El caucho reforzado es parte de esa lista desde hace mucho tiempo: ¿Por qué es tan eficiente en tantas aplicaciones, desde los neumáticos de los aviones a los sellos industriales y los dispositivos médicos? Un equipo de ingenieros cree haber encontrado la respuesta, y la solución unifica varias teorías sobre la resiliencia del caucho.
Esta semana se publicó su trabajo en Proceedings of the National Academy of Sciences, y los ingenieros de la Universidad de Florida del Sur identifican el mecanismo físico que subyace a la versatilidad del caucho reforzado. El material compuesto combina caucho y partículas negras de carbono, no ha cambiado prácticamente en el último siglo gracias a su fuerza y resistencia. En este nuevo estudio hallaron que al añadir partículas microscópicas al caucho, el material inherentemente blando se transforma en algo “lo suficientemente fuerte como para soportar el peso de un jet cargado al 100%”, según declaraciones de la USF.
Las propiedades del material provienen de una diferencia en el coeficiente de Poisson que define la elasticidad y el cambio de forma de los materiales. El equipo anticipa que sus hallazgos guiarán los futuros estudios para el diseño de materiales más seguros y resilientes.
Si funciona, funciona
En términos químicos el caucho es un tipo de polímero, un sistema de grandes moléculas en forma de cadena. La estructura le da la característica elasticidad al caucho y por eso, su utilización en tantos ámbitos. En 1944 se documentó formalmente la tendencia del caucho a volverse más rígido con aditivos de micropartículas, un fenómeno que se conocía desde antes.
La fórmula del caucho reforzado es tan efectiva que durante casi 100 años, según los investigadores, los científicos e ingenieros, y la industria en general han contado con sus propiedades. Pero nunca se había llegado a un veredicto de por qué la fórmula funciona tan bien.
“¿Cómo es que la hemos estado usando durante 80, 90, 100 años sin saber realmente cómo funciona? Todo ha sido por ensayo y error”, expresó Davis Simmons, autor principal del trabajo e ingeniero de la USF. “Las compañías de neumáticos pueden comprar diferentes grados de negro de carbono… y por medio del ensayo y error calculan cuál les convendrá más”.
Las piezas del rompecabezas
Simmons explicó en declaraciones que el debate sobre este mecanismo se ha prolongado a lo largo de décadas. Algunos argumentan que las partículas forman redes encadenadas adicionales dentro del caucho en tanto que otros proponen que las partículas obligan al caucho a estirarse más porque ocupan espacio extra.
Para determinar cuál de las ideas representaba mejor la realidad, el equipo recreó virtualmente la estructura molecular del caucho reforzado y llevó a cabo 1.500 simulaciones moleculares con cientos de miles de átomos.
Lo fascinante fue que hallaron que las teorías no estaban necesariamente equivocadas. Cada una de ellas no captaba la imagen completa en sí misma, pero en conjunto – redes de partículas interacciones pegajosas, y efectos de relleno de espacio – contribuían al resultado final.
La fórmula
El nuevo marco integral del equipo indica lo siguiente: el caucho resiste inherentemente los cambios de volumen. Imaginemos que estiramos una bandita de goma, y veremos que la bandita se adelgaza a medida que se hace más larga al estirarse, pero su volumen permanece constante.
Cuando se añaden partículas de negro de carbono para reforzar el caucho, el material compuesto lucha contra sí mismo y aumenta su volumen, rigidez, y fuerza, según indican las declaraciones. Las partículas impiden que el caucho se adelgace al estirarlo, y entonces el caucho se ve obligado a aumentar su volumen. El fenómeno es un fallo en el coeficiente de Poisson, en que el caucho básicamente pelea contra su propia incompresibilidad.
Los hallazgos ayudarían a los fabricantes a apartarse de los procesos de ensayo y error para crear caucho resistente, según indica el equipo. Además de aumentar la eficiencia industrial, este conocimiento podría incluso aportar a la seguridad en la construcción de infraestructura crítica como las plantas de energía o los sistemas aeroespaciales.
“La razón por la que falló el Challenger fue que un sello de caucho se enfrió demasiado”, dijo Simmons. “Hay muchos sistemas de energía y plantas eléctricas que llevan partes de caucho. Todo el que tenga una manguera de jardín que empezó a perder sabe que la causa estará seguramente en el sello de caucho. Imaginemos que sucede lo mismo en una planta eléctrica o de químicos”.
