Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Nhiều tài xế chỉ nhìn vào độ mòn gai lốp khi quyết định có nên thay lốp hay không. Nhưng một nghiên cứu tổng quan vừa công bố trên tạp chí khoa học quốc tế cho thấy: lốp xe có thể nguy hiểm từ bên trong dù bề ngoài vẫn còn nguyên vẹn — và phần lớn lái xe hoàn toàn không hay biết điều này.

Chiếc lốp xe bạn đang đi có thể đang già đi từng ngày — không phải vì mòn, mà vì chính không khí bạn đang thở, ánh nắng chiếu xuống mặt đường, và nhiệt độ mùa hè đang lặng lẽ phá hủy cấu trúc cao su bên trong. Đó là kết luận chính từ công trình tổng quan khoa học vừa được công bố trên tạp chí Engineering Science and Technology bởi nhóm nghiên cứu từ Đại học Bách khoa Milan (Ý) và Pirelli — một trong những hãng lốp xe lớn nhất thế giới.

Đây là tổng hợp toàn diện đầu tiên tập trung riêng vào hiện tượng lão hóa lốp xe — thứ mà theo Cơ quan An toàn Giao thông Quốc gia Mỹ (NHTSA), góp phần gây ra khoảng 90 ca tử vong và hơn 3.000 vụ thương tích mỗi năm chỉ riêng tại các bang miền Nam nước Mỹ.

KẺ THÙ SỐ MỘT CỦA LỐP: ÔXY VÀ NHIỆT ĐỘ

Trong tất cả các tác nhân phá hủy lốp xe, oxy trong không khí được xác định là nguy hiểm nhất. Quá trình oxy hóa diễn ra liên tục, ngay cả khi xe đang đỗ trong garage. Ở nhiệt độ cao — chẳng hạn mặt đường Hà Nội hay TP.HCM giữa trưa hè — tốc độ phản ứng này tăng lên đáng kể.

Cơ chế hóa học diễn ra theo ba giai đoạn: khởi phát (nhiệt hoặc bức xạ tạo ra gốc tự do), lan truyền (gốc tự do phản ứng với oxy tạo thành hydroperoxide), và kết thúc. Kết quả để lại là hai hiện tượng đối lập nhưng đều có hại: đứt gãy mạch polymer (làm lốp mềm, mất đàn hồi) và tạo liên kết ngang quá mức (làm lốp cứng, giòn, dễ nứt).

BẠN CÓ BIẾT?

• Mô đun đàn hồi và độ cứng của cao su tăng dần theo tuổi lốp
• Độ giãn dài khi đứt và độ bền kéo giảm — lốp càng già càng dễ vỡ đột ngột
• Lốp cũ làm tăng đáng kể quãng đường phanh trong tình huống khẩn cấp
• Thử nghiệm trong lò sấy: sau 60 ngày ở 100°C, độ bền kéo giảm tới 85%, độ giãn dài giảm 50%
• Tai nạn liên quan đến lốp tập trung cao nhất vào tháng 6-9 và giờ cao điểm ban ngày

BỐN KẺ THÙ THẦM LẶNG KHÁC

Bên cạnh nhiệt độ và oxy, nghiên cứu xác định thêm bốn tác nhân môi trường luôn hiện diện nhưng ít được chú ý:

Tia UV từ mặt trời kích hoạt quá trình quang oxy hóa ngay trên bề mặt lốp. Hậu quả dễ nhìn thấy nhất là vết nứt nhỏ li ti xuất hiện trên thành lốp, mà nhiều người nhầm tưởng chỉ là vấn đề thẩm mỹ. Thực ra đây là dấu hiệu cao su đang mất dần tính đàn hồi từ bên ngoài vào trong.

Ozone — loại khí ô nhiễm phổ biến ở đô thị và khu công nghiệp, tăng mạnh vào mùa hè — tấn công trực tiếp các liên kết đôi C=C trong chuỗi polymer cao su, khiến bề mặt lốp nứt theo hướng vuông góc với lực tác dụng. Đáng chú ý, tác hại của ozone còn nghiêm trọng hơn cả oxy hóa nhiệt và quang oxy hóa cộng lại.

Độ ẩm thấm vào cấu trúc cao su gây thủy phân — phá vỡ liên kết hóa học trong mạng lưới polymer. Khi kết hợp với nhiệt độ cao, độ ẩm làm tốc độ suy giảm vật liệu tăng lên gấp nhiều lần. Nghiên cứu cho thấy ở độ ẩm tương đối trên 50%, cơ chế phá hủy của ozone thậm chí thay đổi bản chất.

“Điều nguy hiểm nhất là các tác nhân này không hoạt động riêng lẻ — chúng cộng hưởng với nhau theo những cách phi tuyến tính mà các thử nghiệm đơn yếu tố không thể dự đoán được.” — Nhóm nghiên cứu, Politecnico di Milano

KHOA HỌC ĐO LÃO HÓA LỐP XE RA SAO?

Để hiểu lốp già đi nhanh hay chậm như thế nào, các nhà khoa học dùng hai phương pháp chính. Phương pháp thực địa dài hạn — cho lốp 'sống' ngoài thực tế rồi đo lường theo thời gian — cho kết quả sát thực nhất nhưng tốn nhiều năm. Một nghiên cứu từng thu thập hơn 1.500 lốp xe từ nhiều thành phố Mỹ để phân tích, và nhận thấy ngay cả lốp cùng tuổi, cùng địa điểm cũng cho kết quả rất khác nhau — tùy vào thói quen đỗ xe ngoài trời hay trong bóng râm, áp suất lốp, tải trọng và cách lái.

Phương pháp thứ hai là thử nghiệm lão hóa gia tốc trong buồng khí hậu — dùng nhiệt độ, nồng độ ozone, tia UV và độ ẩm cao hơn thực tế để rút ngắn thời gian. Ví dụ, để mô phỏng chiếc lốp 6 tuổi từng đi qua mùa hè Arizona (Mỹ), chỉ cần khoảng 10 tuần trong lò sấy 70°C. Tuy nhiên phương pháp này có giới hạn: nếu nhiệt độ quá cao, cơ chế phá hủy sẽ thay đổi, làm sai lệch kết quả dự đoán.

Để dự đoán tuổi thọ lốp từ dữ liệu phòng thí nghiệm, các nhà khoa học dùng phương trình Arrhenius (mô hình hóa học) và phương trình Williams–Landel–Ferry (mô hình nhớt đàn hồi). Cả hai đều có hạn chế khi thực tế lốp xe chịu đồng thời nhiều tác nhân khác nhau.

THÁCH THỨC VẬT LIỆU: TỪ GRAPHENE ĐẾN HẠT VI NHỰA

Ngành công nghiệp lốp xe không đứng yên trước những hiểu biết này. Các nhà sản xuất đang thử nghiệm chất độn nano — graphene, ống carbon nano, nano-silica — để tăng khả năng dẫn nhiệt, độ bền cơ học và khả năng chống lão hóa oxy hóa. Hệ thống chất độn kết hợp giữa silica và muội carbon (carbon black) cũng đang được phát triển để dung hòa giữa độ bền và sức cản lăn thấp.

Nhưng có một góc khuất đáng lo ngại hơn: lốp xe đang là nguồn phát thải hạt vi nhựa lớn vào môi trường. Mỗi khi cao su mài mòn, các hạt mịn phát tán vào đất, sông, biển — thậm chí vào chuỗi thức ăn. Nghiêm trọng hơn, chất chống oxy hóa 6PPD — được thêm vào hầu hết các loại lốp — khi bị oxy hóa tạo thành 6PPD-quinone, hợp chất đã được chứng minh có độc tính cấp tính với một số loài thủy sinh.

BẠN CÓ BIẾT?

• 6PPD-quinone: sản phẩm oxy hóa của chất chống lão hóa phổ biến trong lốp xe, gây độc cho sinh vật thủy sinh
• Hạt mài mòn lốp xe (TWP) là nguồn vi nhựa đáng kể trong môi trường đô thị
• Lốp 'xanh' dùng silica thay muội carbon: giảm CO₂, nhưng độ bền mài mòn kém hơn
• Đa số lốp thải bị đốt trong lò xi măng, chôn lấp, hoặc nghiền thành bột làm đường

ĐIỀU GÌ CÒN CHƯA ĐƯỢC NGHIÊN CỨU?

Nghiên cứu thẳng thắn chỉ ra những lỗ hổng lớn trong hiểu biết hiện tại. Hầu hết các thí nghiệm được thực hiện trên mẫu cao su nhỏ trong phòng lab — không phải lốp xe hoàn chỉnh trong điều kiện vận hành thực tế. Rất ít nghiên cứu đồng thời kết hợp tải trọng cơ học, nhiệt độ, ozone, UV và độ ẩm — trong khi đó chính xác là thứ lốp xe phải đối mặt mỗi ngày trên đường.

Nhóm tác giả kêu gọi xây dựng các buồng khí hậu thế hệ mới tích hợp cả tải trọng xoay và các biến môi trường đồng thời, thiết lập giao thức thử nghiệm chuẩn quốc tế, và ứng dụng học máy (machine learning) để xây dựng mô hình dự đoán tuổi thọ lốp chính xác hơn từ các tập dữ liệu lớn.

“Nghiên cứu trong tương lai phải tích hợp thử nghiệm đa yếu tố, tải động học và đánh giá tác động môi trường — đó là hướng duy nhất để có lốp xe an toàn hơn, bền hơn và thân thiện hơn với môi trường.” — Stabile et al., 2025

■  Bài viết dựa trên: Pietro Stabile, Gianpiero Mastinu, Massimiliano Gobbi (Politecnico di Milano) và Perla Bardini (Pirelli Tyre S.p.A.). "Tire aging: A state-of-the-art review". Engineering Science and Technology, an International Journal, Vol. 69, 2025, 102101. DOI: 10.1016/j.jestch.2025.102101. Công bố trực tuyến ngày 28/6/2025.