La svolta nella progettazione dei materiali aiuterà i giocatori di football, gli occupanti delle auto e i pazienti ospedalieri

Oct 25, 2023

14 luglio 2023

Questo articolo è stato rivisto in base al processo editoriale e alle politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo al tempo stesso la credibilità del contenuto:

verificato

pubblicazione sottoposta a revisione paritaria

fonte attendibile

correggere le bozze

di Wende Whitman, Università della Virginia

La scoperta che i giocatori di football stavano inconsapevolmente subendo danni cerebrali permanenti mentre accumulavano colpi alla testa durante la loro carriera professionale ha creato una corsa alla progettazione di una migliore protezione per la testa. Una di queste invenzioni è la nanoschiuma, il materiale presente all'interno dei caschi da football.

Grazie al professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale Baoxing Xu presso l'Università della Virginia e al suo gruppo di ricerca, la nanoschiuma ha appena ricevuto un grande aggiornamento e anche l'attrezzatura sportiva protettiva potrebbe farlo. Questo design di nuova invenzione integra la nanoschiuma con un "liquido ionizzato non bagnante", una forma di acqua che Xu e il suo gruppo di ricerca ora sanno che si fonde perfettamente con la nanoschiuma per creare un cuscino liquido. Questo materiale versatile e reattivo offrirà una migliore protezione agli atleti e promette di essere utilizzato per proteggere gli occupanti delle auto e aiutare i pazienti ospedalieri che utilizzano dispositivi medici indossabili.

La ricerca del team è stata recentemente pubblicata su Advanced Materials.

Per la massima sicurezza, la schiuma protettiva inserita tra gli strati interno ed esterno di un casco non dovrebbe essere in grado di sopportare solo un colpo ma più colpi, partita dopo partita. Il materiale deve essere sufficientemente ammortizzato da creare un luogo morbido in cui la testa possa atterrare, ma abbastanza resistente da riprendersi ed essere pronto per il colpo successivo. E il materiale deve essere resistente ma non duro, perché anche il "duro" fa male alla testa. Avere un materiale che fa tutte queste cose è un compito piuttosto arduo.

Il team ha portato avanti il ​​lavoro precedentemente pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences, che ha iniziato a esplorare l’uso di liquidi nella nanoschiuma, per creare un materiale che soddisfi le complesse esigenze di sicurezza degli sport ad alto contatto.

"Abbiamo scoperto che la creazione di un cuscino di nanoschiuma liquida con acqua ionizzata invece dell'acqua normale ha fatto una differenza significativa nel modo in cui il materiale ha funzionato", ha affermato Xu. "L'utilizzo dell'acqua ionizzata nella progettazione è una svolta perché abbiamo scoperto un'insolita rete di coordinazione degli ioni liquidi che ha reso possibile la creazione di un materiale più sofisticato."

Il cuscino in nanoschiuma liquida consente all'interno del casco di comprimere e disperdere la forza d'impatto, minimizzando la forza trasmessa alla testa e riducendo il rischio di lesioni. Inoltre, riacquista la sua forma originale dopo l'impatto, consentendo colpi multipli e garantendo la continua efficacia del casco nel proteggere la testa dell'atleta durante il gioco.

"Un ulteriore vantaggio", ha continuato Xu, "è che il materiale migliorato è più flessibile e molto più comodo da indossare. Il materiale risponde dinamicamente alle scosse esterne a causa del modo in cui i cluster e le reti di ioni sono fabbricati nel materiale."

"Il cuscino liquido può essere progettato come dispositivo di protezione più leggero, più piccolo e più sicuro", ha affermato il professore associato Weiyi Lu, collaboratore di ingegneria civile presso la Michigan State University. "Inoltre, il peso e le dimensioni ridotti dei rivestimenti in nanoschiuma liquida rivoluzioneranno il design del guscio rigido dei futuri caschi. Un giorno potresti guardare una partita di calcio e chiederti come i caschi più piccoli proteggono la testa dei giocatori. Potrebbe essere perché del nostro nuovo materiale."

Nella nanoschiuma tradizionale, il meccanismo di protezione si basa sulle proprietà del materiale che reagisce quando viene schiacciato o deformato meccanicamente, come il "collasso" e la "densificazione". Il collasso è ciò che sembra, e la densificazione è la grave deformazione della schiuma in caso di forte impatto. Dopo il collasso e la densificazione, la tradizionale nanoschiuma non si riprende molto bene a causa della deformazione permanente dei materiali, rendendo la protezione una cosa da fare una tantum. Rispetto alla nanoschiuma liquida, queste proprietà sono molto lente (pochi millisecondi) e non possono soddisfare il "requisito di riduzione dell'elevata forza", il che significa che non può assorbire e dissipare efficacemente i colpi ad alta forza nel breve intervallo di tempo associato alla nanoschiuma liquida. collisioni e impatti.