El trabajo está bastante aislado: los vecinos más cercanos en el archivo tratan de biología celular, redes neuronales, cuerdas cósmicas y materia oscura, pero no de la física de los elastómeros. En un área afín ya se ha demostrado que las nanopartículas pueden reforzar los elastómeros y que el refuerzo a baja deformación está relacionado con una competencia volumétrica entre la red de partículas y la red polimérica. Este artículo llena ese hueco al explicar cómo el mismo mecanismo conduce a la cavitación, y por primera vez conecta el refuerzo con la rotura a través de un límite termodinámico.
Los autores realizaron simulaciones de dinámica molecular de elastómeros entrecruzados, rellenos con clústeres de nanopartículas formados por icosaedros sinterizados (7, 9, 11 y 13 partículas por clúster). La temperatura era alta y la interacción polímero-partícula, termodinámicamente neutra, para excluir la vitrificación de las capas superficiales. Los sistemas se estiraron de forma uniaxial y se siguieron las tensiones, la presión, el volumen y las propiedades locales a lo largo de 80 cortes en el eje de deformación.
Al deformar, en la matriz polimérica aparece una presión negativa y en la red de partículas, una positiva; su equilibrio refuerza el material. Al principio, la crisis de cavitación se pospone gracias a la fluencia de la red de partículas (efecto Payne). Sin embargo, con deformaciones grandes las partículas se reorganizan en bandas perpendiculares al estiramiento y se produce un reanclaje anisotrópico. Esto provoca un crecimiento en avalancha de la presión normal local y la formación de huecos. La cavitación llega con una presión negativa de alrededor de -0.1 en unidades de Lennard-Jones, lo que corresponde a unos 4 MPa y coincide con el valor experimental de 4.3 MPa para el caucho con negro de carbono. Las curvas de volumen y de tensiones de todos los sistemas caen sobre una curva maestra al desplazarlas por la deformación de cavitación, lo que indica la universalidad del mecanismo.
A diferencia de trabajos cercanos que tratan el refuerzo o la rotura por separado, este artículo los une en un único mecanismo: el refuerzo crea las condiciones para la cavitación, y el desencadenante es la dinámica colectiva del relleno. El trabajo desplaza el foco desde los defectos hacia la termodinámica y muestra que controlar el movimiento no afín de las partículas puede retrasar la rotura sin perder refuerzo.
El tema puede avanzar hacia el control del movimiento no afín de las nanopartículas en deformaciones grandes, por ejemplo modificando la forma, el tamaño o las interacciones de las partículas. Es posible comprobar las predicciones en experimentos de dispersión de rayos X in situ. También resulta prometedor estudiar el papel de la temperatura y de la velocidad de deformación.
Los resultados influirán en el desarrollo de cauchos y elastómeros para neumáticos, juntas y amortiguadores, donde importa combinar resistencia y durabilidad.
Realizar experimentos de dispersión de rayos X a bajo ángulo para visualizar directamente el reanclaje anisotrópico. Investigar cómo la modificación de la superficie de las partículas afecta al umbral de cavitación.
En la física de los nanocompuestos elastoméricos sigue abierta la cuestión de la relación entre la microestructura del relleno y la rotura macroscópica. Este trabajo conecta el problema no resuelto del origen de los huecos con la dinámica colectiva de las partículas, algo que antes no se había confirmado cuantitativamente.
La presión de cavitación del modelo (unos 4 MPa) coincidió casi con el valor experimental para el caucho con negro de carbono (4.3 MPa), aunque se simulaba un sistema completamente distinto.