Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Bảo Hiền tổng hợp

Một nhóm ở Đại học Harvard tìm ra cách trộn cao su thiên nhiên với silica mà không làm đứt mạch polyme, giúp vật liệu dai hơn khoảng 10 lần. Một nhóm khác ở Đại học Nam Florida giải thích được vì sao hạt độn làm cao su chắc hơn, điều mà ngành lốp tận dụng gần một thế kỷ nhưng chưa hiểu hết.

Cao su dùng làm lốp xe gần như không bao giờ được dùng ở dạng nguyên chất. Nhà sản xuất phải trộn thêm hạt độn gia cường (reinforcing filler), phổ biến nhất là carbon đen và silica, để lốp đủ cứng và chịu được tải trọng lớn. Hai nghiên cứu cùng đăng trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) tháng 4/2026 tiếp cận vấn đề này từ hai phía, gồm cách trộn hạt độn và cơ chế gia cường.

Giữ nguyên mạch polyme dài

Cao su thiên nhiên được khai thác từ mủ cây. Đây là loại cao su sinh học được dùng nhiều nhất thế giới và là vật liệu chính của lốp xe tải, xe buýt và máy bay. Mạch phân tử dài giúp cao su đàn hồi tốt và khó bị nứt.

Vấn đề nằm ở khâu trộn. Theo cách làm truyền thống, cao su khô, silica và phụ gia được trộn bằng máy cường độ cao. Quá trình này làm đứt các mạch polyme (chain scission). Lốp vì vậy đủ cứng nhưng kém đàn hồi, dễ nứt và mòn nhanh hơn, đồng thời thải nhiều bụi lốp ra môi trường.

Nhóm của giáo sư Zhigang Suo tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard (SEAS) chọn cách khác. Mủ cao su trước tiên được hòa tan trong dung môi toluen để tách thành từng mạch riêng lẻ. Nhóm chọn toluen vì độ phân cực của nó tương đồng với cao su. Sau đó, bột silica được trộn vào dung dịch với cường độ thấp nên các mạch vẫn giữ được độ dài. Hỗn hợp được sấy khô thành hợp chất rắn, rồi ép khuôn và lưu hóa. Trong lúc lưu hóa, các mạch dài liên kết thưa với nhau và gắn với hạt silica.

Bước hòa tan là bắt buộc. Nếu trộn silica trực tiếp vào mủ, hạt silica chỉ nằm trong pha nước, không đi vào các hạt cao su.

Theo nhóm nghiên cứu, độ dai của vật liệu, tức năng lượng hấp thụ trước khi vết nứt lan rộng, tăng khoảng 10 lần. Độ cứng vẫn giữ ở mức cao, khoảng 19 MPa. Nhóm cũng thử thành công với carbon đen và nhiều loại silica khác nhau.

Theo Yakov Kutsovsky, đồng tác giả nghiên cứu, ô tô điện nặng hơn ô tô thông thường nên lốp cũng mòn nhanh hơn. Vì vậy, vật liệu bền hơn càng cần thiết.

Trước mắt, kết quả có thể ứng dụng cho lốp xe tải, xe buýt và máy bay, vốn đã dùng nhiều cao su thiên nhiên. Về lâu dài, nhóm hướng tới lốp xe con làm chủ yếu từ cao su sinh học thay cho cao su tổng hợp gốc dầu mỏ, nếu giải quyết được bài toán chi phí và nguồn cung.

Nghiên cứu mới đo khả năng chống nứt và chịu mỏi, chưa thử trực tiếp độ mài mòn, cũng chưa sản xuất lốp hoàn chỉnh. Theo nhóm tác giả, toluen được dùng phổ biến trong công nghiệp và có thể thu hồi trong hệ thống khép kín. Tuy vậy, nhóm chưa công bố ước tính chi phí khi mở rộng quy mô.

Lời giải cho câu hỏi gần một thế kỷ

Carbon đen được trộn vào cao su từ gần 100 năm nay, nhưng giới khoa học vẫn tranh luận vì sao nó làm cao su chắc hơn. Có ba giả thuyết chính. Giả thuyết thứ nhất cho rằng các hạt liên kết thành mạng lưới trong cao su. Giả thuyết thứ hai cho rằng hạt bám dính và làm cứng lớp cao su xung quanh. Giả thuyết thứ ba cho rằng hạt chiếm chỗ, buộc phần cao su còn lại phải giãn nhiều hơn.

Hạt carbon đen có kích thước nano nên rất khó quan sát trực tiếp. Vì vậy, nhóm của giáo sư David Simmons tại Đại học Nam Florida (Mỹ) dùng mô phỏng động lực học phân tử với hàng trăm nghìn nguyên tử. Nhóm chạy 1.500 mô phỏng, tương đương khoảng 15 năm thời gian tính toán, trên một cụm máy tính trong nhiều tháng. Mô hình ban đầu không khớp với số liệu thực tế. Nhóm phải điều chỉnh cấu trúc và cách phân tán của carbon đen trong mô hình, rồi mới thu được kết quả phù hợp với thực nghiệm.

Theo nhóm nghiên cứu, mấu chốt nằm ở thể tích. Cao su gần như không nén được. Khi kéo một sợi dây chun, sợi dây dài ra nhưng đồng thời mảnh đi, nên thể tích gần như không đổi. Hạt carbon đen cản không cho cao su co mảnh lại như bình thường. Vì vậy, khi bị kéo giãn, vật liệu buộc phải tăng thể tích, điều mà cao su chống lại rất mạnh. Chính sức chống này làm vật liệu cứng và bền hơn.

Nhóm gọi cơ chế này là “lệch hệ số Poisson” (Poisson’s ratio mismatch). Ba giả thuyết cũ không bị bác bỏ. Theo nhóm, cả ba hiện tượng đều góp phần tạo ra cơ chế này.

Theo giáo sư Simmons, các hãng lốp đến nay vẫn chủ yếu “thử và sai” khi phát triển vật liệu mới. Ông cho rằng kết quả nghiên cứu đang đặt nền tảng để thiết kế lốp một cách có chủ đích. Mục tiêu là cân bằng tốt hơn “tam giác ma thuật” của lốp, gồm tiết kiệm nhiên liệu, độ bám và độ bền, ba yếu tố thường phải đánh đổi lẫn nhau.

Đây là nghiên cứu mô phỏng. Lợi ích đối với lốp xe mới dừng ở mức tiềm năng, chưa được kiểm chứng trên sản phẩm.

Nguồn tham khảo
• Tan M. W. M., Nian G., Chen Z., Bao X., Kutsovsky Y., Suo Z. Amplifying toughness in silica-reinforced natural rubber by preserving long chains. PNAS, 2026. DOI 10.1073/pnas.2530834123
• Kawak P., Bhapkar H., Simmons D. S. Glassy interphases reinforce elastomeric nanocomposites by enhancing volume expansion under strain. PNAS, 13/4/2026. DOI 10.1073/pnas.2528108123