تقع هذه الورقة في منطقة نائية نسبيًا: أقرب الجيران في الأرشيف يتناولون بيولوجيا الخلية والشبكات العصبية والأوتار الكونية والمادة المظلمة، لا فيزياء الإيلاستومرات. وقد ثبت في مجال مجاور أن الجسيمات النانوية قادرة على تقوية الإيلاستومرات، وأن التقوية عند التشوهات المنخفضة مرتبطة بمنافسة حجمية بين شبكة الجسيمات والشبكة البوليمرية. تسدّ هذه المقالة ثغرة، إذ تشرح كيف تؤدي الآلية ذاتها إلى التجويف، وتربط للمرة الأولى بين التقوية والتلف عبر حدّ ترموديناميكي.
أجرى المؤلفون محاكاة ديناميكا جزيئية لإيلاستومرات متشابكة محمّلة بعناقيد من جسيمات نانوية ملبّدة عشرونية الوجوه (7 و9 و11 و13 جسيمًا لكل عنقود). كانت درجة الحرارة مرتفعة، والتفاعل بين البوليمر والجسيم محايدًا ترموديناميكيًا، لتجنّب التزجّج في الطبقات القريبة من السطح. شُدّت الأنظمة أحاديًا، ورُصدت الإجهادات والضغط والحجم والخصائص الموضعية عبر 80 مقطعًا على طول محور التشوه.
عند التشوه ينشأ ضغط سلبي في المصفوفة البوليمرية، وضغط موجب في شبكة الجسيمات، وتوازنهما هو ما يقوّي المادة. في البداية تُؤجَّل أزمة التجويف بفضل سيولة شبكة الجسيمات (تأثير باين). لكن عند التشوهات الكبيرة تُعيد الجسيمات ترتيب نفسها في أشرطة عمودية على اتجاه الشد، فيحدث الانحباس المتكرر اللامتماثل. وهذا يسبب نموًا انهياريًا للضغط العمودي الموضعي وتكوّن الفراغات. يقع التجويف عند ضغط سلبي يقارب -0.1 بوحدات لينارد-جونز، وهو ما يوافق نحو 4 ميغاباسكال، ويتطابق مع القيمة التجريبية 4.3 ميغاباسكال لمطاط محمّل بالكربون الأسود. وتقع منحنيات الحجم والإجهادات لجميع الأنظمة على منحنى رئيسي واحد عند الإزاحة بمقدار تشوه التجويف، ما يشير إلى عالمية الآلية.
بخلاف الأعمال المجاورة التي تتناول التقوية أو التلف كلًا على حدة، تجمع هذه المقالة بينهما في آلية واحدة: التقوية تهيّئ الظروف للتجويف، والمُحرّض هو الديناميكا الجماعية للحشو. تنقل الورقة التركيز من العيوب إلى الترموديناميكا، وتبيّن أن التحكم في الحركة اللاأفينية للجسيمات قد يؤجّل التلف دون خسارة التقوية.
يمكن أن يتطور الموضوع نحو التحكم في الحركة اللاأفينية للجسيمات النانوية عند التشوهات الكبيرة، مثلًا عبر تغيير شكل الجسيمات أو حجمها أو تفاعلها. ومن الممكن اختبار التنبؤات في تجارب تشتت الأشعة السينية في الموقع. كما يبدو واعدًا دراسة دور درجة الحرارة وسرعة التشوه.
ستؤثر النتائج في تطوير المطاطات والإيلاستومرات للإطارات والحشوات وممتصات الصدمات، حيث يهمّ الجمع بين المتانة والعمر الطويل.
إجراء تجارب تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة لتصوير الانحباس المتكرر اللامتماثل مباشرة. ودراسة كيف يؤثر تعديل سطح الجسيمات في عتبة التجويف.
لا يزال في فيزياء مركبات الإيلاستومر النانوية سؤال مفتوح عن الصلة بين البنية المجهرية للحشو والتلف العياني. تربط هذه الورقة مشكلة أصل الفراغات غير المحلولة بالديناميكا الجماعية للجسيمات، وهو ما لم يكن مؤكَّدًا كميًا من قبل.
كاد ضغط التجويف في النموذج (نحو 4 ميغاباسكال) يطابق القيمة التجريبية لمطاط محمّل بالكربون الأسود (4.3 ميغاباسكال)، مع أن النظام المُحاكى مختلف تمامًا.