Ein Durchbruch im Materialdesign wird Fußballspielern, Autoinsassen und Krankenhauspatienten helfen

Oct 25, 2023

14. Juli 2023

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von Wende Whitman, University of Virginia

Die Entdeckung, dass Fußballspieler unwissentlich bleibende Hirnschäden erlitten, weil sie im Laufe ihrer Profikarriere Kopfstöße erlitten, löste einen Ansturm auf die Entwicklung eines besseren Kopfschutzes aus. Eine dieser Erfindungen ist Nanoschaum, das Material auf der Innenseite von Footballhelmen.

Dank des außerordentlichen Professors für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik Baoxing Dieses neu erfundene Design integriert Nanoschaum mit „nicht benetzender ionisierter Flüssigkeit“, einer Form von Wasser, von der Xu und sein Forschungsteam jetzt wissen, dass sie sich perfekt mit Nanoschaum vermischt, um ein Flüssigkeitspolster zu erzeugen. Dieses vielseitige und reaktionsfähige Material wird Sportlern einen besseren Schutz bieten und ist vielversprechend für den Schutz von Autoinsassen und die Unterstützung von Krankenhauspatienten bei der Verwendung tragbarer medizinischer Geräte.

Die Forschung des Teams wurde kürzlich in Advanced Materials veröffentlicht.

Für maximale Sicherheit sollte der Schutzschaum zwischen der Innen- und Außenschicht eines Helms nicht nur einen, sondern mehrere Treffer einstecken können, Spiel für Spiel. Das Material muss polsternd genug sein, um eine weiche Fläche für die Landung des Kopfes zu schaffen, aber auch widerstandsfähig genug, um zurückzufedern und für den nächsten Schlag bereit zu sein. Und das Material muss belastbar, aber nicht hart sein, denn „hart“ tut auch am Kopf weh. All diese Dinge mit einem Material erledigen zu lassen, ist eine ziemlich große Herausforderung.

Das Team entwickelte seine zuvor in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichte Arbeit weiter und begann mit der Erforschung der Verwendung von Flüssigkeiten in Nanoschaum, um ein Material zu schaffen, das den komplexen Sicherheitsanforderungen von Sportarten mit hohem Kontakt gerecht wird.

„Wir haben herausgefunden, dass die Herstellung eines flüssigen Nanoschaumkissens mit ionisiertem Wasser anstelle von normalem Wasser einen erheblichen Unterschied in der Leistung des Materials ausmacht“, sagte Xu. „Die Verwendung von ionisiertem Wasser im Design ist ein Durchbruch, da wir ein ungewöhnliches Flüssigkeit-Ionen-Koordinationsnetzwerk entdeckt haben, das die Schaffung eines anspruchsvolleren Materials ermöglichte.“

Durch das flüssige Nanoschaumkissen kann die Innenseite des Helms die Aufprallkraft komprimieren und verteilen, wodurch die auf den Kopf übertragene Kraft minimiert und das Verletzungsrisiko verringert wird. Außerdem nimmt er nach einem Aufprall seine ursprüngliche Form wieder an, was mehrere Treffer ermöglicht und die anhaltende Wirksamkeit des Helms beim Schutz des Kopfes des Sportlers während des Spiels gewährleistet.

„Ein zusätzlicher Vorteil“, fuhr Xu fort, „ist, dass das verbesserte Material flexibler und viel angenehmer zu tragen ist. Das Material reagiert dynamisch auf äußere Stöße, da die Ionencluster und Netzwerke im Material hergestellt werden.“

„Das Flüssigkeitskissen kann als leichtere, kleinere und sicherere Schutzvorrichtung konzipiert werden“, sagte außerordentlicher Professor Weiyi Lu, ein Mitarbeiter des Bauingenieurwesens an der Michigan State University. „Außerdem werden das reduzierte Gewicht und die geringere Größe der flüssigen Nanoschaum-Einlagen das Design der Hartschale zukünftiger Helme revolutionieren. Sie könnten eines Tages ein Fußballspiel verfolgen und sich fragen, wie die kleineren Helme die Köpfe der Spieler schützen. Das könnte daran liegen.“ unseres neuen Materials.

Bei herkömmlichem Nanoschaum beruht der Schutzmechanismus auf Materialeigenschaften, die reagieren, wenn er zerdrückt oder mechanisch verformt wird, wie z. B. „Zusammenfallen“ und „Verdichten“. Zusammenbruch ist das, wonach es sich anhört, und Verdichtung ist die starke Verformung des Schaums bei starkem Aufprall. Nach dem Zusammenbruch und der Verdichtung erholt sich der herkömmliche Nanoschaum aufgrund der bleibenden Materialverformung nicht mehr so ​​gut, was den Schutz zu einer einmaligen Sache macht. Im Vergleich zum flüssigen Nanoschaum sind diese Eigenschaften sehr langsam (einige Millisekunden) und können die „Anforderung an die Reduzierung hoher Kräfte“ nicht erfüllen, was bedeutet, dass er Stöße mit hoher Kraft in dem damit verbundenen kurzen Zeitfenster nicht effektiv absorbieren und ableiten kann Kollisionen und Stöße.

Ein weiterer Nachteil von herkömmlichem Nanoschaum besteht darin, dass der Schaum völlig „hart“ wird und sich wie ein starrer Körper verhält, der keinen Schutz bieten kann, wenn er mehreren kleinen Stößen ausgesetzt wird, die das Material nicht verformen. Die Steifheit könnte möglicherweise zu Verletzungen und Schäden an Weichteilen führen, wie z. B. einem Schädel-Hirn-Trauma (TBI).

Durch die Manipulation der mechanischen Eigenschaften von Materialien – die Integration nanoporöser Materialien mit „nicht benetzender Flüssigkeit“ oder ionisiertem Wasser – entwickelte das Team eine Möglichkeit, ein Material herzustellen, das in wenigen Mikrosekunden auf Stöße reagieren kann, da diese Kombination einen superschnellen Flüssigkeitstransport in einem ermöglicht nanobegrenzte Umgebung. Auch beim Entladen, also nach Stößen, kann das flüssige Nanoschaumkissen aufgrund seiner nicht benetzenden Beschaffenheit in seine ursprüngliche Form zurückkehren, da die Flüssigkeit aus den Poren ausgestoßen wird, und hält so wiederholten Schlägen stand. Diese Fähigkeit zur dynamischen Anpassung und Umformung beseitigt auch das Problem, dass das Material durch Mikrostöße steif wird.

Die gleichen flüssigen Eigenschaften, die diesen neuen Nanoschaum für Sportausrüstung sicherer machen, bieten auch einen potenziellen Einsatz an anderen Orten, an denen es zu Kollisionen kommt, beispielsweise bei Autos, deren Sicherheits- und Materialschutzsysteme neu überdacht werden, um der aufkommenden Ära des Elektroantriebs und der automatisierten Fahrzeuge gerecht zu werden. Damit können Schutzpolster geschaffen werden, die Stöße bei Unfällen absorbieren oder zur Reduzierung von Vibrationen und Lärm beitragen.

Ein weiterer Zweck, der möglicherweise nicht so offensichtlich ist, ist die Rolle, die flüssiger Nanoschaum im Krankenhausumfeld spielen kann. Der Schaum kann in tragbaren medizinischen Geräten wie einer Smartwatch verwendet werden, die Ihre Herzfrequenz und andere Vitalfunktionen überwacht. Durch die Integration der flüssigen Nanoschaum-Technologie kann die Uhr auf der Unterseite ein weiches und flexibles schaumartiges Material haben und dazu beitragen, die Genauigkeit der Sensoren zu verbessern, indem ein ordnungsgemäßer Kontakt mit Ihrer Haut sichergestellt wird. Es passt sich der Form Ihres Handgelenks an und sorgt so für ein angenehmes Tragegefühl den ganzen Tag. Darüber hinaus kann der Schaumstoff zusätzlichen Schutz bieten, indem er als Stoßdämpfer wirkt. Wenn Sie versehentlich mit Ihrem Handgelenk gegen eine harte Oberfläche stoßen, kann der Schaumstoff dabei helfen, den Aufprall abzufedern und Schäden an den Sensoren oder Ihrer Haut zu verhindern.

Mehr Informationen: Yuan Gao et al., Nanoconfined Water-Ion Coordination Network for Flexible Energy Dissipation Device, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202303759

Zeitschrifteninformationen:Advanced Materials, Proceedings of the National Academy of Sciences

Zur Verfügung gestellt von der University of Virginia