Wissenschaftler beobachten die Wechselwirkung von Komponenten im Reifengummi auf atomarer Ebene

Wissenschaftler haben die molekulare Bewegung von Gummikomponenten, die typischerweise in Autoreifen verwendet werden – Polybutadien und Ruß – mit der weltweit schnellsten Zeitauflösung beobachtet.

Die Studie, veröffentlicht in Briefe zur Angewandten Physikoffenbart eine klare Wechselwirkung zwischen den beiden Komponenten auf atomarer Ebene und ebnet den Weg für eine verbesserte Diagnose des Reifengummiabbaus und die Entwicklung von Materialien mit erhöhter Haltbarkeit.

Reifengummi ist ein Verbundmaterial, das typischerweise synthetischen Gummi wie Polybutadien und zugesetzte Nanopartikel wie Ruß enthält, um seine physikalischen Eigenschaften zu verbessern. Während der Fahrt wirken starke Kräfte auf den Reifen, wodurch sich seine Komponenten gegeneinander bewegen, was zu Verschleiß und Materialverschlechterung führen kann.

Zur Bewertung der Reifenleistung ist es daher wichtig, nicht nur die statische Struktur des komplexen Partikelnetzwerks aus Polymer und Nanopartikeln zu verstehen, sondern auch deren Wechselwirkung und entsprechende Bewegungen, da diese Dynamik Materialeigenschaften wie die Verschleißfestigkeit direkt beeinflusst. Da einige dieser molekularen Bewegungen extrem schnell ablaufen, sind zeitaufgelöste Messungen mit atomarer Auflösung auf der schnellstmöglichen Zeitskala von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung und Validierung dynamischer Modelle solcher Materialien.

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Tokio, der Ibaraki-Universität und European XFEL hat nun die molekulare Bewegung in Proben von Polybutadien und Ruß, die aufgrund der Materialstruktur natürlicherweise auftritt, mit einer Zeitauflösung von 890 beobachtet Nanosekunden (Milliardstelsekunden) – die bisher schnellste in solchen Studien erzielte Auflösung – am SPB/SFX-Instrument des European XFEL.

„Mit der kürzlich entwickelten Methode des gebeugten Röntgenblinkens konnten wir gleichzeitig schnelle Veränderungen in den Polymerketten und in den additiven Nanopartikeln auf atomarer Ebene nachweisen“, sagt Tokushi Sato von European XFEL, einer der korrespondierenden Autoren der Veröffentlichung. „Wir beobachteten eine deutliche Wechselwirkung zwischen Polybutadien und Ruß, was darauf hindeutet, dass sich die Mobilität von Polybutadien je nach Art des zugesetzten Rußes deutlich unterschied.“

Jede Probe enthielt eine andere Art von Ruß. Das Experiment ergab, dass sich das Polybutadien in einer Probe viel schneller auf der Rußpartikeloberfläche bewegte als in der anderen – was zu schlechteren Eigenschaften für die Leistung von Autoreifen führte als in der Probe, in der die beiden Komponenten stärker gebunden waren. Die Ergebnisse können zu verbesserten Methoden führen, um den Reifengummiabbau im Labor während der Entwicklung zu untersuchen und so Materialien mit erhöhter Haltbarkeit zu entwickeln.