Mouvement moléculaire dans le caoutchouc des pneus
Les composants du pneu observés avec une incroyable résolution temporelle
Des scientifiques ont observé le mouvement moléculaire de composants du caoutchouc généralement utilisés dans les pneus automobiles - le polybutadiène et le noir de carbone - avec la résolution temporelle la plus rapide au monde. L'étude révèle une interaction évidente entre les deux composants à l'échelle atomique, ce qui ouvre la voie à de meilleurs diagnostics de la dégradation du caoutchouc des pneus et à la mise au point de matériaux plus durables.
Le caoutchouc des pneus est un matériau composite qui comprend généralement du caoutchouc synthétique, tel que le polybutadiène, et des nanoparticules ajoutées, telles que le noir de carbone, afin d'améliorer ses propriétés physiques. Pendant la conduite, des forces importantes agissent sur le pneu, faisant bouger ses composants les uns contre les autres, ce qui peut entraîner l'usure et la dégradation du matériau. Pour évaluer les performances du pneu, il est donc important de comprendre non seulement la structure statique du réseau complexe de particules formé par le polymère et les nanoparticules, mais aussi leur interaction et leurs mouvements respectifs, car ces dynamiques influencent directement les propriétés du matériau telles que la résistance à l'usure. Certains de ces mouvements moléculaires étant extrêmement rapides, des mesures à résolution atomique sur l'échelle de temps la plus rapide possible sont essentielles pour développer et valider des modèles dynamiques de ces matériaux.
Une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques de l'université de Tokyo, de l'université d'Ibaraki et de l'European XFEL a observé le mouvement moléculaire à l'intérieur d'échantillons de polybutadiène et de noir de carbone, qui se produit naturellement en raison de la structure du matériau, avec une résolution temporelle de 890 nanosecondes (milliardièmes de seconde) - la résolution la plus rapide obtenue jusqu'à présent dans ce type d'études - à l'instrument SPB/SFX de l'European XFEL.
"En utilisant la méthode récemment mise au point du clignotement des rayons X diffractés, nous avons détecté simultanément des changements rapides dans les chaînes de polymères et dans les nanoparticules d'additifs à l'échelle atomique", explique Tokushi Sato du European XFEL, l'un des auteurs correspondants de la publication. "Nous avons observé une interaction claire entre le polybutadiène et le noir de carbone, indiquant que la mobilité du polybutadiène différait de manière significative en fonction du type de noir de carbone ajouté". Chaque échantillon contenait un type de noir de carbone différent. L'expérience a révélé que, dans un échantillon, le polybutadiène se déplaçait beaucoup plus rapidement à la surface des particules de noir de carbone que dans l'autre, ce qui se traduisait par des propriétés moins performantes pour les pneus automobiles que l'échantillon dans lequel les deux composants étaient plus fortement liés. Ces résultats pourraient permettre d'améliorer les méthodes d'étude de la dégradation du caoutchouc des pneus en laboratoire au cours du développement, et donc de concevoir des matériaux plus durables.
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Publication originale
Masahiro Kuramochi, Henry J. Kirkwood, Jayanath C. P. Koliyadu, Romain Letrun, Raphael de Wijn, Chan Kim, Tomomi Masui, Kazuhiro Mio, Tatsuya Arai, Hiroshi Sekiguchi, Hiroyuki Kishimoto, Adrian P. Mancuso, Tokushi Sato, Yuji C. Sasaki; "Direct observation of 890 ns dynamics of carbon black and polybutadiene in rubber materials using diffracted x-ray blinking"; Applied Physics Letters, Volume 123, 2023-9-5
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