Forscher konnten endlich 100 Jahre alte Rätsel von Gummi lösen

Ohne Gummi wäre die moderne Welt unvorstellbar: Flugzeuge starten und landen mit Gummireifen am Rollfeld, Lkw legen damit jeden Tag weite Strecken zurück – die Weltwirtschaft ist maßgeblich von dem Material abhängig.

Obwohl das auch als Kautschuk bekannte Material so wichtig ist, gab es ein offenes Rätsel, das Forscher nun endlich lösen konnten: Gummi ist nämlich von Natur aus nicht belastbar genug, damit es beispielsweise ein Flugzeug tragen könnte. Vor mehr als 100 Jahren fanden Erfinder heraus, dass Gummi die gewünschten zähen Eigenschaften bekommt, wenn man Partikel hinzufügt. Das Grundrezept dafür setzt bis heute auf Ruß. Wie das aber funktioniert, wusste bisher keiner so genau. 

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Funktion ungeklärt

"Wie kann es sein, dass wir das schon seit 80, 90, 100 Jahren verwenden und immer noch nicht wirklich wissen, wie es funktioniert?", zitiert phys.org den Forscher David Simmons: "Es war ein enormer Prozess des Ausprobierens und Irrtums. Die Reifenhersteller können viele verschiedene Rußsorten – im Grunde genommen hochwertigen Ruß – kaufen und müssen einfach durch Versuch und Irrtum herausfinden, wofür es sich lohnt mehr zu bezahlen und wofür nicht."

Zum Verhalten der Rußpartikel im Gummi gab es bisher nur Annahmen: Die einen meinten, die Teilchen würden kleine Netze im Gummi bilden. Andere dachten, der Ruß würde wie Kleber das Material um sich herum versteifen. Auch, dass die Teilchen den Gummi durch ihren Platzverbrauch zur stärkeren Ausdehnung zwingen, wurde als Möglichkeit gesehen.

Das Forscherteam von der University of South Florida (USF) liefert erstmals eine genaue Beschreibung davon, wie sich der Ruß im Gummi verhält. Ein Schlüssel zur Lösung lag in der sogenannten Poissonzahl, die beschreibt, wie sich Materialien unter Dehnung verhalten. 

Simmons vergleicht das Verhalten von Gummi mit dem von Wasser. Dieses lässt sich nicht leicht komprimieren. Füllt man es in eine Wasserspritze ein, wächst deshalb der Widerstand wenn man fester drückt. Beim Gummi sei das ähnlich: Ein gedehntes Gummiband wird zwar dünner, aber das Volumen verändert sich nicht. 

Laut den neuen Forschungsergebnissen verhalten sich die Rußteilchen darin wie mikroskopisch-kleine Stützen, die eine zu starke Verdünnung des Gummis verhindern. Unter Dehnung verhindern die Partikel, dass sich das Volumen ausdehnt. Der Ruß bewirkt, dass der Gummi gewissermaßen gegen seine eigene Ausdehnung ankämpft und starrer wird.

Aufwendige Berechnungen 

Simmons und seine Kollegen machten aufwendige Computersimulationen, mit denen sie das Verhalten von Hunderttausenden Atomen beobachteten und 1.500 Dynamiken im Nano-Maßstab untersuchten. Ein einzelner Computer hätte für die Berechnungen 15 Jahre lang gebraucht. "Wir hingegen nutzten den großen Rechencluster der USF über viele Monate hinweg", sagt Simmons.

Die Berechnungen der Forscher zeigen, dass tatsächlich alle bisher gemachten Vorschläge, was Ruß im Gummi bewirkt, gleichzeitig zutreffen: Die Rußteilchen erzeugen im Material Netzwerke. Teilweise bleibt der Gummi aber auch an den Rußteilchen haften und der Ruß verhält sich wie Kleber. Außerdem bewirkt der Ruß durch den Fülleffekt, dass sich der Widerstand erhöht. Die Rußpartikel bilden gewissermaßen ein mikroskopisches Netz, das ständig auseinanderbricht und sich wieder neu zusammensetzt.

Die Ergebnisse zur Gummiverstärkung könnten die Herstellung viel präziser machen und eine Abkehr vom bisher angewandten "Trial und Error" bedeuten. Die Studie der amerikanischen Forscher ist in der Fachpublikation PNAS erschienen.