Odkrycie, że piłkarze nożni nieświadomie nabawili się trwałego uszkodzenia mózgu, gdy uderzali głową w trakcie swojej kariery zawodowej, wywołało pośpiech w celu zaprojektowania lepszej ochrony głowy. Jednym z takich wynalazków jest nanopianka, materiał po wewnętrznej stronie kasków piłkarskich.
Dzięki profesorowi nadzwyczajnemu inżynierii mechanicznej i lotniczej Baoxingowi Xu z University of Virginia i jego zespołowi badawczemu nanofoam właśnie otrzymał duże ulepszenie, podobnie jak ochronny sprzęt sportowy. Ten nowo wynaleziony projekt integruje nanopiankę z „niezwilżającą zjonizowaną cieczą”, formą wody, o której Xu i jego zespół badawczy wiedzą, że doskonale łączy się z nanopianką, tworząc płynną poduszkę. Ten wszechstronny i responsywny materiał zapewni lepszą ochronę sportowcom i jest obiecujący do zastosowania w ochronie pasażerów samochodów i pomocy pacjentom szpitalnym przy użyciu urządzeń medycznych do noszenia.
Badania zespołu zostały niedawno opublikowane w Advanced Materials.
Dla maksymalnego bezpieczeństwa pianka ochronna umieszczona pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną warstwą kasku powinna być w stanie wytrzymać nie tylko jedno trafienie, ale wiele trafień, mecz po meczu. Materiał musi być wystarczająco miękki, aby stworzyć miękkie miejsce do lądowania głową, ale wystarczająco sprężysty, aby odbić się i być gotowym na następny cios. A materiał musi być sprężysty, ale nie twardy, bo „twardy” też boli w głowę. Posiadanie jednego materiału do wszystkich tych rzeczy to dość wysokie zamówienie.
Zespół posunął się naprzód w swoich pracach opublikowanych wcześniej w Proceedings of the National Academy of Sciences, które rozpoczęły badanie wykorzystania płynów w nanopiance, aby stworzyć materiał spełniający złożone wymagania bezpieczeństwa sportów kontaktowych.
„Odkryliśmy, że stworzenie płynnej poduszki nanopiankowej z wodą jonizowaną zamiast zwykłej wody znacząco zmieniło sposób działania materiału” – powiedział Xu. „Wykorzystanie zjonizowanej wody w projekcie jest przełomem, ponieważ odkryliśmy niezwykłą sieć koordynacyjną cieczy i jonów, która umożliwiła stworzenie bardziej wyrafinowanego materiału”.
Płynna poduszka z nanopianki umożliwia kompresję wnętrza kasku i rozproszenie siły uderzenia, minimalizując siłę przenoszoną na głowę i zmniejszając ryzyko obrażeń. Odzyskuje również swój pierwotny kształt po uderzeniu, pozwalając na wielokrotne uderzenia i zapewniając ciągłą skuteczność kasku w ochronie głowy sportowca podczas gry.
„Dodatkową korzyścią”, kontynuuje Xu, „jest to, że ulepszony materiał jest bardziej elastyczny i znacznie wygodniejszy w noszeniu. Materiał dynamicznie reaguje na wstrząsy zewnętrzne ze względu na sposób, w jaki gromady i sieci jonów są wytwarzane w materiale”.
„Poduszkę płynną można zaprojektować jako lżejsze, mniejsze i bezpieczniejsze urządzenia ochronne” – powiedział profesor nadzwyczajny Weiyi Lu, współpracownik inżynierii lądowej na Michigan State University. „Ponadto zmniejszona waga i rozmiar płynnych wkładek z nanopianki zrewolucjonizuje projektowanie twardych skorup przyszłych kasków. Pewnego dnia możesz oglądać mecz piłki nożnej i zastanawiać się, w jaki sposób mniejsze kaski chronią głowy graczy. Może to być spowodowane tym, że naszego nowego materiału”.
W przypadku tradycyjnej nanopianki mechanizm ochronny opiera się na właściwościach materiału, które reagują, gdy ulega on zgnieceniu lub mechanicznemu odkształceniu, takie jak „zapadanie się” i „zagęszczanie”. Zapadanie się jest tym, na co wygląda, a zagęszczanie to poważne odkształcenie piany przy silnym uderzeniu. Po zapadnięciu się i zagęszczeniu tradycyjna nanopianka nie regeneruje się zbyt dobrze z powodu trwałej deformacji materiałów, co sprawia, że ochrona jest jednorazowa. W porównaniu z płynną nanopianką, właściwości te są bardzo powolne (kilka milisekund) i nie mogą sprostać „wymogowi redukcji dużej siły”, co oznacza, że nie może ona skutecznie absorbować i rozpraszać uderzeń o dużej sile w krótkim oknie czasowym związanym z zderzenia i uderzenia.
Inną wadą tradycyjnej nanopianki jest to, że poddana wielu niewielkim uderzeniom, które nie odkształcają materiału, pianka staje się całkowicie „twarda” i zachowuje się jak sztywna bryła, która nie może zapewnić ochrony. Sztywność może potencjalnie prowadzić do urazów i uszkodzeń tkanek miękkich, takich jak urazowe uszkodzenie mózgu (TBI).
Manipulując właściwościami mechanicznymi materiałów – integrując materiały nanoporowate z „niezwilżającą cieczą” lub wodą jonizowaną – zespół opracował sposób na stworzenie materiału, który mógłby reagować na uderzenia w ciągu kilku mikrosekund, ponieważ ta kombinacja umożliwia superszybki transport cieczy w nanoograniczonym środowisku. Również po rozładowaniu, tj. po uderzeniach, dzięki swojej niezwilżającej naturze poduszka z płynnej nanopianki może powrócić do swojego pierwotnego kształtu, ponieważ ciecz jest wyrzucana z porów, wytrzymując w ten sposób powtarzające się uderzenia. Ta dynamiczna zdolność dopasowywania się i przekształcania rozwiązuje również problem sztywnienia materiału w wyniku mikrouderzeń.
Te same właściwości cieczy, które sprawiają, że ta nowa nanopianka jest bezpieczniejsza dla sprzętu sportowego, oferują również potencjalne zastosowanie w innych miejscach, w których dochodzi do kolizji, takich jak samochody, których systemy bezpieczeństwa i ochrony materiałów są ponownie rozważane, aby objąć nadchodzącą erę napędu elektrycznego i pojazdów zautomatyzowanych. Może służyć do tworzenia poduszek ochronnych, które pochłaniają uderzenia podczas wypadków lub pomagają redukować wibracje i hałas.
Innym celem, który może nie być tak oczywisty, jest rola, jaką płynna nanopianka może odgrywać w warunkach szpitalnych. Pianka może być stosowana w urządzeniach medycznych do noszenia, takich jak smartwatche, które monitorują tętno i inne parametry życiowe. Dzięki zastosowaniu technologii ciekłej nanopianki zegarek może mieć miękki i elastyczny materiał przypominający piankę na spodzie zegarka, który pomaga poprawić dokładność czujników, zapewniając właściwy kontakt ze skórą. Dopasowuje się do kształtu nadgarstka, zapewniając wygodę noszenia przez cały dzień. Dodatkowo pianka może zapewnić dodatkową ochronę, działając jako amortyzator. Jeśli przypadkowo uderzysz nadgarstkiem o twardą powierzchnię, pianka może pomóc zamortyzować uderzenie i zapobiec uszkodzeniu czujników lub skóry.