A borracha reforçada é um dos materiais mais importantes da vida moderna. Ajuda pneus de carros e aviões a suportar cargas enormes, mantém equipamentos industriais funcionando e é encontrado em tudo, desde dispositivos médicos até mangueiras de jardim. Embora os pneus estejam em uso há quase um século e apoiem a indústria global de pneus, avaliada em cerca de 260 mil milhões de dólares, os cientistas nunca compreenderam completamente porque é que se tornam tão fortes quando misturados com partículas de fuligem.
Agora, pesquisadores da Universidade do Sul da Flórida dizem que finalmente resolveram o mistério.
Liderada pelo professor de engenharia David Simmons, a equipe descobriu como pequenas partículas de negro de fumo transformam a borracha macia em um material capaz de suportar cargas pesadas, incluindo aviões totalmente carregados. Seus resultados foram publicados na revista Anais da Academia Nacional de Ciências.
“Como é que o usamos há 80, 90, 100 anos e não sabemos como funciona?” Simmons disse. “Isso passou por uma enorme quantidade de tentativa e erro. As empresas de pneus podem comprar muitos tipos diferentes de negro de fumo – principalmente negro de fumo sofisticado – e elas apenas precisam descobrir por tentativa e erro o que vale a pena pagar mais e o que não vale.”
Depois de realizar 1.500 simulações de dinâmica molecular, que totalizaram aproximadamente 15 anos de tempo de computação, os pesquisadores identificaram o mecanismo chave da borracha reforçada. O seu trabalho também ajudou a reconciliar várias teorias científicas concorrentes de longa data.
Por que o negro de fumo torna a borracha mais durável
A fórmula da borracha reforçada permaneceu praticamente inalterada durante décadas. Os fabricantes adicionam partículas microscópicas, geralmente negro de fumo, à borracha para torná-la mais forte, mais durável e mais resistente ao desgaste. É também por isso que a maioria dos pneus são pretos.
Embora o método fosse amplamente utilizado, os cientistas passaram anos tentando explicar por que funcionava de forma tão eficaz.
Alguns pesquisadores acreditavam que as partículas formavam estruturas semelhantes a cadeias em toda a borracha. Outros argumentaram que as partículas reforçam o material circundante como cola. Outra teoria sugere que as partículas basicamente ocupam espaço, fazendo com que a borracha se estique de diferentes maneiras.
Nenhuma dessas explicações explicou completamente o comportamento do material.
Como as partículas e as interações ocorrem em nanoescala, observá-las diretamente é extremamente difícil. Em vez disso, Simmons e sua equipe recriaram os processos usando simulações computacionais de última geração.
Trabalhando com o pós-doutorado da USF Pierre Kavak e o pós-doutorado Harshad Bhapkar, Simmons modelou como centenas de milhares de átomos se comportavam dentro da borracha reforçada.
Os pesquisadores melhoraram os modelos de simulação anteriores para representar com mais precisão a forma e a distribuição das partículas de fuligem no material.
“Não é que tivemos literalmente uma simulação em execução durante 15 anos”, disse Simmons. “Isso significa que se você fizesse um cálculo usando seu laptop por uma hora e usasse todo o laptop de seis núcleos, seriam seis horas de computação. Temos usado o grande cluster de computação da USF com muitos núcleos por muitos meses.”
Física oculta dentro de borracha reforçada
A descoberta se concentrou em uma propriedade chamada índice de Poisson, que descreve como os materiais mudam de forma quando esticados.
Simmons compara o efeito a puxar o êmbolo de uma seringa selada cheia de água. À medida que a água resiste à compressão, puxar o pistão cria cada vez mais resistência.
A borracha se comporta de maneira semelhante. Quando um elástico normal é esticado, ele fica mais fino, mantendo basicamente o mesmo volume geral.
A adição de negro de fumo altera dramaticamente este comportamento.
As partículas atuam como minúsculos suportes estruturais dentro da borracha, evitando que ela se afine tanto quanto normalmente aconteceria durante o alongamento. Como resultado, a borracha é forçada a aumentar de volume, ao qual resiste naturalmente com muita força.
Segundo os pesquisadores, a borracha está efetivamente “lutando contra si mesma”, criando um aumento significativo na rigidez e na resistência.
Resolvendo um debate científico de longa data
As novas descobertas não negam as teorias anteriores sobre borracha reforçada. Em vez disso, eles os combinam em uma explicação mais ampla.
A equipe descobriu que redes de partículas, interações adesivas e efeitos de preenchimento de espaço contribuem para a resistência do material às mudanças de volume. Em vez de ideias concorrentes, os mecanismos funcionam em conjunto como partes do mesmo processo global.
Ao combinar estes conceitos numa única estrutura, os investigadores desenvolveram o que descrevem como a primeira explicação abrangente do reforço de borracha.
A descoberta não aconteceu imediatamente. As primeiras versões das simulações não conseguiram corresponder aos resultados dos experimentos do mundo real. Para melhorar a precisão, os pesquisadores incorporaram informações de estudos científicos anteriores até que o modelo reproduzisse o comportamento observado.
Melhores pneus e infraestrutura mais segura
As descobertas podem ter implicações importantes para a fabricação de pneus.
Os engenheiros de pneus muitas vezes lutam com o chamado “triângulo mágico” do design dos pneus. O desafio é equilibrar eficiência de combustível, tração e durabilidade. Melhorar uma ou duas destas qualidades muitas vezes reduz a terceira.
Até agora, os fabricantes dependiam fortemente de testes caros de tentativa e erro para encontrar as melhores combinações.
Com uma melhor compreensão da física subjacente, os engenheiros serão capazes de projetar materiais de borracha com mais precisão. Em última análise, isto pode resultar em pneus que duram mais, aderem à estrada de forma mais eficaz em condições molhadas e, ao mesmo tempo, melhoram a economia de combustível.
“A luta é sempre conseguir mais de dois dos três bons, e é aí que a tentativa e o erro só levam até certo ponto”, disse Simmons. “Com estas descobertas, estamos estabelecendo uma nova base para um design racional de pneus”.
As implicações vão muito além dos pneus. A borracha reforçada é amplamente utilizada em centrais eléctricas, sistemas aeroespaciais e outras infra-estruturas críticas onde a falha do material pode ter consequências graves.
Simmons apontou para o desastre do ônibus espacial Challenger em 1986, que foi atribuído à falha de uma junta de borracha em baixas temperaturas.
“Se você se lembra, a causa da falha do Challenger foi uma junta de borracha que esfriou demais”, disse Simmons. “Muitos sistemas de energia e usinas de energia têm peças de borracha. Todo mundo já teve uma mangueira de jardim que começou a vazar porque a junta de borracha estragou. Agora imagine o que acontece em uma usina de energia ou em uma fábrica de produtos químicos.”
A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.
