Прорыв в материальном дизайне поможет футболистам, водителям автомобилей и пациентам больниц.
Недавнее открытие в мире спорта способствовало большому прорыву в области защитного снаряжения. Оказалось, что игроки в американский футбол в течение всей карьеры «накапливали» травмы головного мозга из-за постоянных ударов головой, в результате чего получали необратимые изменения этого органа. Это открытие повлекло за собой поиск решения проблемы — чем скорее, тем лучше. Среди инноваций особенно выделяется нанопена — материал, из которого изготавливаются футбольные шлемы.
Адъюнкт-профессор машиностроения и аэрокосмической техники Баосин Сюй из Университета Вирджинии вместе со своей группой недавно усовершенствовал нанопену, что должно привести к улучшению спортивного снаряжения. Дизайн исследователей объединяет нанопену с «несмачивающей ионизированной жидкостью». Это форма воды, которая идеально сочетается с материалом и создает жидкую подушку. Такой симбиоз обеспечивает лучшую защиту спортсменов. Также он перспективен для использования в защите пассажиров автомобилей и помощи пациентам в больницах.
Исследование команды опубликовано в журнале Advanced Materials.
Нанопена: модернизация, достижения и потенциал
Чтобы обеспечивать защиту, пена между внутренним и внешними слоями шлема должна выдерживать не один удар, а много подряд — игра за игрой. При этом материал должен быть достаточно мягким, чтобы обеспечить «легкую посадку» голове при ударе, но в то же время достаточно упругим — чтобы отскочить назад и быть готовым к следующему удару. Упругим — но не жестким — ведь в противном случае спортсменам грозят сильные боли при ушибах. Казалось бы, невыполнимая задача для одного материала.
Команда профессора Сюй предложила свою работу, ранее опубликованную в Proceedings of the National Academy of Sciences. Тогда они только начинали изучать использование жидкостей в нанопене для создания материала, отвечающего комплексным требованиям безопасности в контактных видах спорта.
Мы обнаружили, что создание жидкой подушки из нанопены с ионизированной водой вместо обычной существенно изменило поведение материала. Использование ионизированной воды в конструкции — это прорыв. Мы обнаружили необычную координационную сеть жидких ионов, которая позволила создать более сложный подходящий материал.
Баосин Сюй, адъюнкт-профессор машиностроения и аэрокосмической техники из Университета Вирджинии
Комфорт и производительность
Подушка из жидкой нанопены позволяет внутренней части шлема принимать и рассеивать силу удара, что смягчает воздействие на голову — и снижает риск получения травмы. Подушка также восстанавливает первоначальную форму после удара, допуская многократные повторения — и обеспечивая таким образом постоянную эффективность шлема во время игры.
Дополнительный бонус: усовершенствованный материал более гибкий и удобный для ношения. Он динамически реагирует на внешние толчки из-за расположения ионных кластеров и сетей.
Баосин Сюй, адъюнкт-профессор машиностроения и аэрокосмической техники из Университета Вирджинии
«Жидкая подушка может быть спроектирована как более легкое, компактное и безопасное защитное устройство», — добавляет доцент Вейи Лу, сотрудник отдела гражданского строительства Мичиганского государственного университета. «Кроме того, уменьшенный вес и размер вкладышей из жидкой нанопены произведут революцию в конструкции твердой оболочки будущих шлемов. Вы могли бы однажды смотреть футбольный матч и удивляться, как меньшие шлемы защищают головы игроков. Возможно, это из-за нашего нового материала».
Ограничения нанопены — и как с ними справились
В традиционной нанопене механизм защиты основан на свойствах материала: он реагирует на сжатие или механическую деформацию — так называемые «схлопывание» и «уплотнение». Это похоже на коллапс после сильного удара. После схлопываний и уплотнений традиционная нанопена плохо восстанавливается из-за остаточной деформации материалов, что делает защиту одноразовой. В жидкой нанопене процессы происходят куда быстрее: это значит, что она может эффективно поглощать и рассеивать удары большей силы в коротком временном промежутке.
Еще один недостаток традиционной нанопены проявляется в том, что при многократном воздействии слабых ударов, которые не деформируют материал, пена становится полностью «твердой» — и ведет себя как жесткое тело, то есть не может обеспечить защиту. Ригидность потенциально может привести к повреждению мягких тканей, например, черепно-мозговой травме.
Управляя механическими свойствами материалов — объединяя нанопористые материалы с ионизированной водой — команде ученых удалось создать материал, который может реагировать на удары за несколько микросекунд. Эта комбинация обеспечивает сверхбыстрых перенос жидкости в нанопористую среду. После удара же, благодаря своей непромокаемой природе, подушка из жидкой нанопены возвращается к своей первоначальной форме: жидкость выходит из пор, выдерживая, таким образом, повторные удары. Эта способность восстанавливаться также решает проблему микроударов.
Широкое применение жидкой нанопены
Свойства, которые делают новую нанопену более безопасной для спортивного снаряжения, также могут быть полезны в других сферах. Например, в автомобилестроении. Системы безопасности и защиты материалов постоянно пересматриваются, и нанопену можно использовать для создания подушек безопасности, поглощающих удары при авариях или помогающих снизить вибрацию и шум.
Также новый материал может пригодиться в больницах. Его можно использовать в носимых медицинских устройствах, таких как смарт-часы, которые отслеживают частоту сердечных сокращений и другие жизненно важные показатели. Нанопена на нижней стороне браслета поможет повысить точность датчиков за счет плотного контакта с кожей пациента. И, конечно, она обеспечит дополнительную защиту, действуя как амортизатор. Если пациент случайно ударится запястьем о твердую поверхность, материал поможет смягчить удар и предотвратит повреждение датчиков или кожи.