Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Bảo Hiền tổng hợp

Nhóm nghiên cứu Đại học Harvard (Mỹ) vừa tìm ra cách trộn silica vào cao su thiên nhiên mà không làm đứt các chuỗi polyme, giúp vật liệu chịu nứt tốt hơn khoảng 10 lần nhưng vẫn đủ cứng.

Công trình được đăng trên tạp chí PNAS ngày 23/3, nhóm của giáo sư Zhigang Suo thực hiện, với Matthew Wei Ming Tan là tác giả đầu. Trường công bố thông tin rộng rãi vào cuối tháng 4.

Cao su thiên nhiên, kết hợp với silica hoặc muội carbon, là vật liệu chính của lốp xe tải, xe buýt và máy bay. Theo nhóm tác giả, nhược điểm nằm ngay ở khâu sản xuất quen thuộc. Cao su khô được nhào trộn với hạt độn và phụ gia bằng thiết bị cường độ cao. Lực cắt lớn giúp hạt độn phân tán đều nhưng cũng làm đứt các chuỗi polyme dài, tức phần tạo nên độ đàn hồi của cao su. Chuỗi ngắn đi khiến vật liệu kém đàn hồi, chịu lạnh kém và dễ nứt hơn.

Hòa tan trước, trộn sau

Để tránh điều này, nhóm đảo ngược trình tự. Mủ cao su thiên nhiên vốn là những hạt cầu li ti lơ lửng trong nước, các hạt silica không hòa vào được. Các nhà khoa học dùng toluen, dung môi công nghiệp phổ biến có độ phân cực phù hợp với cao su, để hòa tan các chuỗi ra khỏi hạt mủ, thu được dung dịch đồng nhất gồm những chuỗi đơn lẻ.

Silica sau đó được khuấy vào dung dịch với cường độ thấp, đủ phân tán hạt nhưng không cắt chuỗi. Hỗn hợp được sấy khô thành khối rắn, đem đúc khuôn rồi lưu hóa. Ở bước cuối, các chuỗi chỉ được khâu mạch thưa với nhau và với hạt silica.

Dai hơn mà vẫn cứng

Kết quả đo cho thấy độ dai, tức năng lượng vật liệu hấp thụ được trước khi vết nứt bắt đầu lan, tăng từ khoảng 2 lên 44 kJ/m². Nhóm mô tả mức tăng này là cỡ một bậc độ lớn, tức khoảng 10 lần. Mô-đun, thước đo độ cứng, đạt khoảng 19 MPa, mức cao. Hai tính chất này thường đánh đổi nhau: vật liệu càng cứng càng dễ nứt.

Theo nhóm nghiên cứu, cách làm không chỉ áp dụng cho một loại hạt độn. Họ đã thử với nhiều loại silica và cả muội carbon.

Mục tiêu trước mắt là lốp xe tải, xe buýt, máy bay

Nhóm cho biết vật liệu hướng đến những loại lốp vốn dùng nhiều cao su thiên nhiên. Về lâu dài, lốp xe con làm từ phần lớn cao su sinh học là khả thi nếu giải được bài toán chi phí và nguồn cung. Dây đai công nghiệp, gioăng phớt và bộ phận robot mềm, vốn phải uốn gập liên tục, cũng là ứng dụng tiềm năng.

Theo Yakov Kutsovsky, đồng tác giả, nhu cầu càng bức thiết khi xe điện ngày một phổ biến. “Xe điện nặng hơn xe thường, tải trọng lớn hơn sẽ làm lốp mòn nhanh hơn”, ông nói. Đây là nhận định của ông, không phải kết quả của nghiên cứu.

Còn nhiều việc phải làm

Nghiên cứu mới đo độ bền đứt gãy và mỏi, chưa đo trực tiếp độ mài mòn hay tuổi thọ lốp. Độ bền nứt cao thường đi cùng khả năng chịu mòn tốt hơn, song đây là suy luận chứ chưa được kiểm chứng. Chưa có thử nghiệm trên lốp thật, và chi phí, nguồn cung ở quy mô công nghiệp vẫn là dấu hỏi.

Toluen là dung môi dễ bay hơi và độc. Nhóm cho rằng có thể vận hành trong hệ khép kín, có thu hồi, nhưng các nguồn tin không nêu năng lượng tiêu tốn hay tác động môi trường của khâu hòa tan và sấy. Hàm lượng silica, thời gian trộn và điều kiện lưu hóa cũng không được công bố trong các bản tin.

Cần lưu ý các bản tin được đối chiếu đều xuất phát từ cùng thông cáo của trường, nên xác nhận nhau về nội dung chứ không phải kiểm chứng độc lập.

Nguồn:
1. Tan, M. W. M., Nian, G., Chen, Z., Bao, X., Suo, Z., & Kutsovsky, Y. (2026). Amplifying toughness in silica-reinforced natural rubber by preserving long chains. Proceedings of the National Academy of Sciences. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2530834123
2. Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. (2026, 27 tháng 4). Toward tougher, longer-lasting, more sustainable tires. https://seas.harvard.edu/news/tougher-longer-lasting-more-sustainable-tires