Movimiento molecular en el caucho de los neumáticos
Componentes de los neumáticos observados con una increíble resolución temporal
Los científicos han observado el movimiento molecular de los componentes del caucho utilizados habitualmente en los neumáticos de los automóviles -polibutadieno y negro de humo- con la resolución temporal más rápida del mundo. El estudio revela una clara interacción entre ambos componentes a escala atómica, lo que allana el camino hacia un mejor diagnóstico de la degradación del caucho de los neumáticos y el desarrollo de materiales más duraderos.
El caucho de los neumáticos es un material compuesto que suele incluir caucho sintético, como el polibutadieno, y nanopartículas añadidas, como el negro de humo, para mejorar sus propiedades físicas. Durante la conducción, fuertes fuerzas actúan sobre el neumático, haciendo que sus componentes se muevan unos contra otros, lo que puede provocar el desgaste y la degradación del material. Para evaluar el rendimiento del neumático, es importante por tanto comprender no sólo la estructura estática de la compleja red de partículas formada por el polímero y las nanopartículas, sino también su interacción y sus respectivos movimientos, ya que esta dinámica influye directamente en las propiedades del material, como la resistencia al desgaste. Dado que algunos de estos movimientos moleculares se producen con extrema rapidez, las mediciones con resolución atómica en la escala temporal más rápida posible son fundamentales para desarrollar y validar modelos dinámicos de tales materiales.
Un equipo internacional de investigación dirigido por científicos de la Universidad de Tokio, la Universidad de Ibaraki y el XFEL Europeo ha observado ahora el movimiento molecular dentro de muestras de polibutadieno y negro de humo, que se produce de forma natural como resultado de la estructura del material, con una resolución temporal de 890 nanosegundos (milmillonésimas de segundo) -la resolución más rápida obtenida en este tipo de estudios hasta la fecha- en el instrumento SPB/SFX del XFEL Europeo.
"Utilizando el método recientemente desarrollado de parpadeo difractado de rayos X, detectamos simultáneamente cambios rápidos en las cadenas poliméricas y en las nanopartículas aditivas a escala atómica", afirma Tokushi Sato, del XFEL Europeo, uno de los autores correspondientes de la publicación. "Observamos una clara interacción entre el polibutadieno y el negro de humo, lo que indica que la movilidad del polibutadieno difería significativamente en función del tipo de negro de humo añadido". Cada muestra contenía un tipo diferente de negro de humo. El experimento reveló que, en una de las muestras, el polibutadieno se desplazaba mucho más rápido por la superficie de las partículas de negro de humo que en la otra, lo que se traducía en peores propiedades para el rendimiento de los neumáticos de automóvil que en la muestra en la que los dos componentes estaban más fuertemente unidos. Los resultados pueden conducir a métodos mejorados para estudiar la degradación del caucho de los neumáticos en el laboratorio durante su desarrollo y, así, idear materiales con mayor durabilidad.
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Publicación original
Masahiro Kuramochi, Henry J. Kirkwood, Jayanath C. P. Koliyadu, Romain Letrun, Raphael de Wijn, Chan Kim, Tomomi Masui, Kazuhiro Mio, Tatsuya Arai, Hiroshi Sekiguchi, Hiroyuki Kishimoto, Adrian P. Mancuso, Tokushi Sato, Yuji C. Sasaki; "Direct observation of 890 ns dynamics of carbon black and polybutadiene in rubber materials using diffracted x-ray blinking"; Applied Physics Letters, Volume 123, 2023-9-5
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