Инновационная технология жидкостной амортизации обещает революцию в сфере защитного снаряжения

Автор: Школа инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии, 26 июля 2023 г.

Усовершенствованный нанопенный материал обещает улучшенную защиту и комфорт спортивного снаряжения и потенциально может применяться в автомобильных системах безопасности и портативных медицинских устройствах. Инновационный материал преодолевает ограничения традиционной нанопены, обеспечивая гибкое и удобное решение, способное выдерживать многочисленные удары. (Художная концепция, драматизирующая «жидкую» подушку безопасности.)

Новый прорыв в дизайне материалов поможет футболистам, пассажирам автомобилей и пациентам больниц.

Значительный прорыв в области защитного снаряжения был сделан после открытия того, что футболисты, сами того не зная, получали необратимые повреждения головного мозга в результате повторяющихся ударов головой на протяжении всей своей профессиональной карьеры. Это осознание вызвало срочный поиск лучших решений для защиты головы. Среди этих инноваций — нанопена, материал, используемый внутри футбольных шлемов.

Благодаря доценту Баосин Сюй из Университета Вирджинии и его исследовательской группе, доценту машиностроения и аэрокосмической техники и его исследовательской группе, нанопена только что получила большую модернизацию, и защитное спортивное оборудование тоже может это сделать. Эта недавно изобретенная конструкция объединяет нанопену с «несмачивающей ионизированной жидкостью», формой воды, которая, как теперь известно Сюю и его исследовательской группе, идеально сочетается с нанопеной, создавая жидкую подушку. Этот универсальный и отзывчивый материал обеспечит лучшую защиту спортсменов и перспективен для использования в целях защиты пассажиров автомобилей и оказания помощи пациентам больниц, использующим носимые медицинские устройства.

Исследование команды было недавно опубликовано в журнале Advanced Materials.

Диаграмма, показывающая, как подушка из жидкой нанопены реагирует на удар. Фото: предоставлено Б. Сюем.

Для оптимальной безопасности защитная пена, зажатая между внутренним и внешним слоями шлема, должна выдерживать не только один, но и несколько ударов, игра за игрой. Материал должен быть достаточно мягким, чтобы создать мягкое место для приземления головы, но достаточно упругим, чтобы отскочить назад и быть готовым к следующему удару. И материал должен быть упругим, но не твердым, потому что от «твердого» тоже болит голова. Сделать все эти вещи одним материалом — довольно сложная задача.

Команда продвинула свою работу, ранее опубликованную в Трудах Национальной академии наук, и начала изучать использование жидкостей в нанопене для создания материала, отвечающего сложным требованиям безопасности в контактных видах спорта.

«Мы обнаружили, что создание жидкой подушки из нанопены с ионизированной водой вместо обычной воды существенно изменило характеристики материала», — сказал Сюй. «Использование ионизированной воды в конструкции — это прорыв, поскольку мы обнаружили необычную координационную сеть жидко-ионов, которая позволила создать более сложный материал».

Доцент Баосин Сюй на кафедре машиностроения и аэрокосмической техники UVA. Кредит: Том Когилл

Подушка из жидкой нанопены позволяет внутренней части шлема сжимать и рассеивать силу удара, сводя к минимуму силу, передаваемую на голову, и снижая риск травм. Он также восстанавливает свою первоначальную форму после удара, позволяя наносить несколько ударов и обеспечивая постоянную эффективность шлема в защите головы спортсмена во время игры.

«Дополнительным бонусом, — продолжил Сюй, — является то, что улучшенный материал более гибкий и его гораздо удобнее носить. Материал динамически реагирует на внешние толчки из-за способа изготовления ионных кластеров и сетей в материале».

«Жидкая подушка может быть спроектирована как более легкое, меньшее и безопасное защитное устройство», — сказал доцент Вэйи Лу, сотрудник отдела гражданского строительства в Мичиганском государственном университете. «Кроме того, уменьшенный вес и размер вкладышей из жидкой нанопены произведут революцию в конструкции жесткой оболочки будущих шлемов. Однажды вы могли бы смотреть футбольный матч и удивляться, как шлемы меньшего размера защищают головы игроков. Возможно, это из-за нашего нового материала».