Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Bảo Hiền tổng hợp

Trong gần một thế kỷ, ngành công nghiệp lốp xe đã sử dụng muội carbon (carbon black) để biến cao su mềm dẻo thành vật liệu đủ chắc chắn chịu tải trọng của cả một chiếc máy bay khi hạ cánh. Thế nhưng, điều đáng ngạc nhiên là giới khoa học chưa bao giờ thực sự hiểu rõ cơ chế đằng sau hiện tượng này. Một nhóm nghiên cứu tại Đại học South Florida (Mỹ) vừa công bố lời giải cho bí ẩn kéo dài hàng trăm năm đó.

Một công thức không đổi suốt một thế kỷ, nhưng cơ chế vẫn là ẩn số

Công thức cơ bản của cao su gia cường gần như không thay đổi trong nhiều thập kỷ: chỉ cần trộn thêm các hạt siêu nhỏ - thường là muội carbon - vào cao su, vật liệu sẽ trở nên bền chắc và có độ bền vượt trội hơn hẳn. Đây là vật liệu nền tảng của ngành công nghiệp lốp xe toàn cầu, quy mô ước tính khoảng 260 tỷ USD, đồng thời xuất hiện trong vô số sản phẩm khác từ gioăng công nghiệp, thiết bị y tế đến ống dẫn nước trong vườn.

Theo Giáo sư David Simmons, trưởng nhóm nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật của Đại học South Florida, câu hỏi đặt ra rất đơn giản nhưng gây bối rối suốt thời gian dài: "Làm sao chúng ta đã sử dụng vật liệu này trong 80, 90, thậm chí 100 năm mà vẫn chưa thực sự hiểu nó hoạt động như thế nào?" Ông cho biết trước đây, các hãng lốp xe có thể mua nhiều loại muội carbon khác nhau trên thị trường, nhưng chỉ có thể dựa vào phương pháp thử-sai tốn kém để xác định loại nào đáng bỏ tiền mua hơn, thay vì có cơ sở khoa học rõ ràng để lựa chọn.

Thử nghiệm mô phỏng tương đương 15 năm tính toán

Để giải mã cơ chế này, nhóm nghiên cứu - gồm Giáo sư Simmons cùng nghiên cứu viên sau tiến sĩ Pierre Kawak và nghiên cứu sinh tiến sĩ Harshad Bhapkar - đã xây dựng mô hình mô phỏng cách hàng trăm nghìn nguyên tử tương tác với nhau bên trong cao su gia cường. Nhóm đã cải tiến các mô hình mô phỏng trước đó để phản ánh chính xác hơn hình dạng và cách phân bố thực tế của các hạt muội carbon trong vật liệu.

Tổng cộng, nhóm thực hiện 1.500 lượt mô phỏng động lực học phân tử, với tổng khối lượng tính toán tương đương khoảng 15 năm chạy máy tính liên tục. Theo cách giải thích của ông Simmons, đây không phải là một phép tính chạy liên tục suốt 15 năm, mà nếu dùng một máy tính xách tay chạy hết công suất 6 lõi xử lý trong một giờ thì tương đương 6 giờ tính toán - nhóm nghiên cứu đã sử dụng cụm máy tính hiệu năng cao quy mô lớn của trường trong nhiều tháng liên tục để đạt được khối lượng tính toán tương đương đó.

Cơ chế cốt lõi: "Sự lệch pha hệ số Poisson"

Phát hiện then chốt của nghiên cứu xoay quanh một đại lượng vật lý gọi là hệ số Poisson - chỉ số mô tả cách vật liệu thay đổi hình dạng khi bị kéo giãn. Ông Simmons ví von hiện tượng này giống như việc kéo pít-tông của một chiếc xi lanh kín chứa đầy nước: vì nước rất khó bị nén lại, càng kéo mạnh thì lực cản càng lớn. Với cao su thông thường, khi bị kéo giãn, vật liệu sẽ dài ra đồng thời mỏng đi để giữ nguyên thể tích tổng thể - giống như một sợi dây thun bị kéo căng.

Tuy nhiên, khi có sự hiện diện của các hạt muội carbon cứng, các hạt này ngăn cản cao su mỏng đi như bình thường khi bị kéo giãn. Kết quả là toàn bộ khối vật liệu composite buộc phải tăng thể tích thay vì chỉ đơn thuần biến dạng - một hiện tượng được nhóm nghiên cứu gọi là "sự lệch pha hệ số Poisson" (Poisson's ratio mismatch), khiến cao su về cơ bản phải "chống lại" chính đặc tính khó nén của bản thân nó. Theo ông Simmons, đây chính là cơ chế cốt lõi buộc vật liệu composite phải tăng thể tích, độ cứng và độ bền khi có mặt các hạt gia cường.

Thống nhất nhiều giả thuyết cạnh tranh trước đó

Trước nghiên cứu này, giới khoa học từng đưa ra nhiều giả thuyết khác nhau để giải thích hiện tượng gia cường: có giả thuyết cho rằng các hạt muội carbon hình thành mạng lưới liên kết với nhau bên trong cao su, có giả thuyết khác cho rằng chúng hoạt động như một loại "keo dán" tự nhiên, và cũng có giả thuyết đơn giản hơn cho rằng các hạt chỉ đơn thuần lấp đầy khoảng trống trong vật liệu. Theo ông Simmons, mỗi giả thuyết trong số này đều chỉ nắm bắt được một phần của bức tranh tổng thể chứ chưa đầy đủ.

Điều nhóm nghiên cứu thực hiện được, theo lời ông, không phải là bác bỏ các giả thuyết trước đó mà là hợp nhất chúng lại: thay vì là những lời giải thích cạnh tranh nhau, các giả thuyết cũ thực chất là những mảnh ghép riêng lẻ của một bức tranh lớn hơn. Bằng cách tích hợp chúng vào một khung lý thuyết thống nhất, nhóm nghiên cứu đã xây dựng được lời giải thích toàn diện đầu tiên cho hiện tượng gia cường cao su.

Ý nghĩa thực tiễn: từ thử-sai sang thiết kế có cơ sở khoa học

Phát hiện này có ý nghĩa trực tiếp đối với việc thiết kế lốp xe, lĩnh vực mà các nhà sản xuất luôn phải đối mặt với bài toán cân bằng giữa ba yếu tố thường được gọi là "tam giác ma thuật": hiệu quả nhiên liệu, độ bám đường và độ bền. Theo ông Simmons, cho đến nay, quá trình này vẫn chủ yếu dựa vào phương pháp thử-sai - một cách tiếp cận tốn kém và mất nhiều thời gian. Với hiểu biết cơ chế rõ ràng hơn, các nhà nghiên cứu vật liệu trong tương lai có thể thiết kế công thức cao su gia cường một cách có chủ đích hơn thay vì dựa vào kinh nghiệm thử nghiệm ngẫu nhiên - không chỉ hướng tới lốp xe bền hơn, bám đường tốt hơn trong điều kiện ướt, mà còn có thể ứng dụng cho các lĩnh vực đòi hỏi độ tin cậy cao khác như thiết bị công nghiệp trong nhà máy điện hay hệ thống hàng không vũ trụ.

Nguồn tham khảo: University of South Florida, thông cáo báo chí "USF scientists solve 100-year-old mystery behind rubber that powers modern life," 16/4/2026. Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng công trình lý thuyết trước đó của cùng nhóm tác giả: Smith, S.M. & Simmons, D.S. "Poisson ratio mismatch drives low-strain reinforcement in elastomeric nanocomposites." Soft Matter, Royal Society of Chemistry, 2019.