A borracha reforçada é um dos materiais mais importantes da vida moderna. Ajuda os pneus de automóveis e aviões a resistir a enormes pressões, mantém as máquinas industriais em funcionamento e é encontrado em tudo, desde dispositivos médicos a mangueiras de jardim. Apesar de ser usado há quase um século e apoiar uma indústria global de pneus avaliada em cerca de 260 mil milhões de dólares, os cientistas nunca compreenderam completamente porque é que se torna tão poderoso quando misturado com partículas de negro de fumo.
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 enormes, incluindo aeronaves totalmente carregadas. Suas descobertas são publicadas na revista Anais da Academia Nacional de Ciências.
“Como é que o usamos há 80, 90, 100 anos e não sabemos realmente como funciona?” Simmons disse. “Isso passou por muitas tentativas e erros. As empresas de pneus podem comprar diferentes tipos de negro de fumo – basicamente tintas sofisticadas – e só precisam usar tentativa e erro para descobrir o que vale a pena pagar mais e o que não vale.”
Depois de realizar 1.500 simulações de dinâmica molecular que totalizaram quase 15 anos de tempo de computação, os pesquisadores identificaram o mecanismo chave por trás da borracha reforçada. Seu trabalho também ajudou a reconciliar várias teorias científicas há muito contestadas.
Por que o negro de fumo torna a borracha mais forte?
A fórmula da borracha reforçada permaneceu praticamente inalterada durante décadas. Os fabricantes misturam partículas microscópicas, geralmente negro de fumo, na borracha para torná-la mais dura, mais duradoura e mais resistente ao desgaste. É por isso que a maioria dos pneus são pretos.
Embora o método tenha sido amplamente utilizado, os cientistas lutaram durante anos para explicar exatamente por que funciona de forma tão eficaz.
Alguns pesquisadores acreditavam que as partículas formavam estruturas semelhantes a cadeias em toda a borracha. Outros argumentaram que as partículas endurecem o material circundante como cola. Outra teoria sugere que as partículas ocupam essencialmente espaço, forçando a borracha a expandir-se de forma diferente.
Nenhuma dessas explicações explica totalmente o comportamento do material.
Como as partículas e as interações ocorrem em nanoescala, é extremamente difícil observá-las diretamente. Em vez disso, Simmons e sua equipe recriaram os processos usando simulações computacionais avançadas.
Trabalhando com o pós-doutorado da USF Pierre Kawak e o estudante de doutorado Harshad Bhapkar, Simmons modelou como dezenas de milhares de átomos se comportavam dentro da borracha forte.
Os pesquisadores melhoraram os modelos de simulação anteriores para que representassem com mais precisão a forma e a distribuição das partículas de negro de fumo no material.
“Não é como se tivéssemos literalmente uma simulação em execução durante 15 anos”, disse Simmons. “Isso significa que se você executar um cálculo por uma hora usando seu laptop e ele usar todo o laptop com seis núcleos, serão seis horas de computação. Usamos o grande cluster de computação da USF por muitos meses com muitos, muitos núcleos.”
Física oculta dentro de borracha reforçada
A descoberta centrou-se numa 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. Como a água resiste à compressão, puxar o êmbolo cria uma resistência crescente.
A borracha se comporta de maneira semelhante. Quando um elástico simples é esticado, ele fica mais fino, mantendo o mesmo volume geral.
A adição de negro de fumo altera drasticamente esse comportamento.
As partículas agem como pequenos suportes estruturais dentro da borracha, evitando que ela se afine tanto quanto aconteceria normalmente durante o alongamento. Como resultado, a borracha é forçada a se expandir em volume, o que naturalmente resiste fortemente.
Segundo os pesquisadores, a borracha efetivamente “luta contra si mesma”, produzindo um grande aumento na rigidez e na resistência.
Resolvendo controvérsias científicas de longa data
As novas descobertas não refutam as teorias anteriores sobre borracha reforçada. Em vez disso, eles os combinam numa interpretação mais ampla.
A equipe descobriu que redes de partículas, interações adesivas e efeitos de preenchimento de espaço contribuem para a resistência do material à mudança de volume. Em vez de conceitos concorrentes, os processos funcionam juntos como parte do mesmo processo global.
Combinando estas ideias numa estrutura unificada, os investigadores desenvolveram o que descrevem como a primeira explicação completa para o reforço de borracha.
A descoberta não aconteceu imediatamente. As primeiras versões das simulações não correspondem aos resultados experimentais do mundo real. Para melhorar a precisão, os pesquisadores incorporam insights de estudos científicos anteriores até que o modelo reproduza com sucesso o comportamento observado.
Pneus melhorados e infraestrutura mais segura
Os resultados podem ter implicações importantes para a fabricação de pneus.
Os engenheiros de pneus muitas vezes enfrentam o que é conhecido como o “triângulo mágico” do design dos pneus. O desafio é equilibrar eficiência de combustível, tração e durabilidade. Melhorar uma ou duas qualidades muitas vezes reduz uma terceira.
Até agora, os fabricantes dependiam fortemente de testes caros de tentativa e erro para encontrar combinações melhores.
Com uma compreensão mais clara da física subjacente, os engenheiros poderão projetar materiais de borracha com mais precisão. Em última análise, isso pode levar a pneus que duram mais, aderem às estradas de forma mais eficaz em condições molhadas e, ao mesmo tempo, melhoram a economia de combustível.
“A luta é sempre ser melhor do que dois em três, e é aí que a tentativa e o erro levam você até agora”, disse Simmons. “Com estes resultados, estamos estabelecendo uma nova base para projetar pneus de forma racional”.
O impacto vai 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 estava ligado à falha das juntas de borracha em temperaturas frias.
“Se você se lembra, a razão pela qual o Challenger falhou foi uma junta de borracha que esfriou demais”, disse Simmons. “Muitos sistemas de energia, usinas de energia, têm peças de borracha. Todo mundo já teve uma mangueira de jardim que começou a vazar porque uma junta de borracha falhou. Agora imagine isso acontecendo 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.
