Держать удар: ученые улучшили нанопену для защитного спортивного снаряжения

Открытие того факта, что футболисты, получая удары по голове на протяжении своей профессиональной карьеры, неосознанно получают необратимые повреждения головного мозга, привело к спешному созданию более совершенных средств защиты головы.

Одним из таких изобретений является нанопена — материал, из которого изготавливаются футбольные шлемы.

Благодаря доценту кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Баосину Сю (Baoxing Xu) из Университета Вирджинии и его команде исследователей нанопена только что получила значительное усовершенствование, которое может коснуться и защитного спортивного снаряжения. Новая разработка объединяет нанопенопласт с «несмачиваемой ионизированной жидкостью» — формой воды, которая, как теперь известно Ксу и его исследовательской группе, идеально сочетается с нанопенопластом, создавая жидкую подушку. Этот универсальный и быстро реагирующий материал обеспечит лучшую защиту спортсменам, а также перспективен для использования в защите пассажиров автомобилей и помощи пациентам больниц с помощью носимых медицинских устройств.

Результаты исследования группы ученых были недавно опубликованы в журнале Advanced Materials.

Для обеспечения максимальной безопасности защитная пена, проложенная между внутренним и внешним слоями шлема, должна выдерживать не только один, но и несколько ударов, игра за игрой. Материал должен быть достаточно амортизирующим, чтобы создать мягкое место для приземления головы, но при этом достаточно упругим, чтобы отскочить и быть готовым к следующему удару. Материал должен быть упругим, но не жестким, потому что «жесткий» материал тоже травмирует голову. Чтобы один материал выполнял все эти функции — задача не из легких.

Группа исследователей развила свою работу, ранее опубликованную в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences и начавшуюся изучением использования жидкостей в нанопене, и создала материал, отвечающий сложным требованиям безопасности в высококонтактных видах спорта.

Мы обнаружили, что создание жидкой наноподушки с использованием ионизированной воды вместо обычной воды существенно изменило характеристики материала, — сказал Сюй.

Использование ионизированной воды в конструкции является прорывом, поскольку мы обнаружили необычную координационную сеть жидкость-ион, что позволило создать более сложный материал.

Жидкая наноподушка позволяет внутренней части шлема сжиматься и рассеивать силу удара, минимизируя силу, передаваемую на голову, и снижая риск получения травмы. Кроме того, после удара она восстанавливает свою первоначальную форму, позволяя наносить многократные удары и обеспечивая постоянную эффективность защиты головы спортсмена во время игры.

Дополнительным преимуществом, — продолжает Сюй, — является то, что усовершенствованный материал более гибкий и гораздо более удобный в носке.

Материал динамически реагирует на внешние толчки благодаря тому, что в нем созданы ионные кластеры и сети.

Жидкие подушки могут быть разработаны как более легкие, компактные и безопасные защитные устройства, — заявил доцент Вейи Лу (Weiyi Lu), сотрудник отдела гражданского строительства Мичиганского государственного университета.

Кроме того, уменьшение массы и размеров жидких наноподушек произведет революцию в дизайне жесткой оболочки будущих шлемов. Возможно, однажды вы будете наблюдать за футбольным матчем и удивитесь тому, как маленькие шлемы защищают головы игроков. Возможно, это благодаря нашему новому материалу.

В традиционной нанопене механизм защиты основан на свойствах материала, реагирующих на его сминание или механическую деформацию, таких как «коллапс» и „уплотнение“. Коллапс — это то, что звучит, а денсификация — сильная деформация пены при сильном ударе. После разрушения и сгущения традиционная нанопена плохо восстанавливается из-за постоянной деформации материалов, что делает защиту одноразовой. По сравнению с жидкой нанопеной эти свойства проявляются очень медленно (в течение нескольких миллисекунд) и не отвечают „требованию снижения высокой силы“, то есть не могут эффективно поглощать и рассеивать удары высокой силы за короткий промежуток времени, связанный со столкновениями и ударами.

Еще одним недостатком традиционной нанопены является то, что при многократных небольших ударах, не деформирующих материал, пена становится абсолютно «твердой» и ведет себя как жесткое тело, не способное обеспечить защиту. Такая жесткость потенциально может привести к травмам и повреждениям мягких тканей, например, к травматическому повреждению головного мозга (TBI).

Манипулируя механическими свойствами материалов — объединяя нанопористые материалы с «несмачивающей жидкостью» или ионизированной водой, — команда разработала способ получения материала, способного реагировать на удары за несколько микросекунд, поскольку такая комбинация позволяет обеспечить сверхбыстрый перенос жидкости в наноконфигурированной среде. Кроме того, при разгрузке, т.е. после ударов, жидкая наноподушка, благодаря своей несмачиваемости, может возвращаться к своей первоначальной форме, поскольку жидкость выбрасывается из пор, выдерживая таким образом повторные удары. Эта способность к динамическому изменению формы и реформированию также решает проблему жесткости материала при микроударах.

Те же свойства жидкости, которые делают новую нанопенопластику более безопасной для спортивной экипировки, позволяют использовать ее и в других местах, где происходят столкновения, например в автомобилях, системы безопасности и защиты материалов которых пересматриваются с учетом наступающей эры электрических силовых установок и автоматизированных транспортных средств. Он может быть использован для создания защитных подушек, поглощающих удары при авариях или способствующих снижению вибраций и шума.

Другая цель, которая, возможно, не столь очевидна, — это роль жидкой нанопены в больничных условиях. Пена может быть использована в носимых медицинских устройствах, таких как смарт-часы, которые отслеживают частоту сердечных сокращений и другие жизненно важные показатели. Благодаря использованию технологии жидкой нанопены часы могут иметь на нижней стороне мягкий и гибкий материал, похожий на пену, который помогает повысить точность работы датчиков, обеспечивая правильный контакт с кожей. Часы могут повторять форму запястья, что делает их удобными для ношения в течение всего дня. Кроме того, пеноматериал обеспечивает дополнительную защиту, выполняя функцию амортизатора. Если вы случайно ударитесь запястьем о твердую поверхность, пена смягчит удар и предотвратит повреждение датчиков и кожи.

15.07.2023


Подписаться в Telegram



Нано

ASC Nano: Ученые придумали, как свернуть нанолист в рулончик
ASC Nano: Ученые придумали, как свернуть нанолист в рулончик

Исследователи из Токийского столичного ун...

Nano Letters: Вибрирующие нанопузырьки помогут усовершенствовать очистку воды
Nano Letters: Вибрирующие нанопузырьки помогут усовершенствовать очистку воды

Новое исследование физики вибрирующих нанопузы...

Nature Nanotechnology: Замена асбеста в строительстве оказалась не менее опасной
Nature Nanotechnology: Замена асбеста в строительстве оказалась не менее опасной

Патогенный потенциал вдыхания инертных волокни...

Nano Letters: Уязвимость ГЭБ у пациентов с Альцгеймером используют для лечения
Nano Letters: Уязвимость ГЭБ у пациентов с Альцгеймером используют для лечения

Нейродегенеративными заболеваниями, такими как...

Electrochemistry Communications: Из нанопагод ZnO разработан фотоэлектрод
Electrochemistry Communications: Из нанопагод ZnO разработан фотоэлектрод

Исследовательская группа, состоящая из со...

LS&A: Исследователи усилили передачу сигнала в перовскитовых нанолистах
LS&A: Исследователи усилили передачу сигнала в перовскитовых нанолистах

Перовскитовые материалы по-прежнему вызывают б...

Nature Communications: В модельном организме ученые нашли наноструктуры
Nature Communications: В модельном организме ученые нашли наноструктуры

У всех представителей животного царства есть ж...

PNAS: Ученые применили нанотехнологии для понимания поведения опухолей
PNAS: Ученые применили нанотехнологии для понимания поведения опухолей

Исследование, проведенное докторантом Пабло С....

Small: Форма пропеллера поможет обуздать движение наночастиц
Small: Форма пропеллера поможет обуздать движение наночастиц

Самодвижущиеся наночастицы потенциально могут ...

Science Advances: Нанопластики способствуют развитию болезни Паркинсона
Science Advances: Нанопластики способствуют развитию болезни Паркинсона

Нанопластики взаимодействуют с особым бел...

Nature Materials: Из наночастиц и ДНК ученые собрали квазикристалл
Nature Materials: Из наночастиц и ДНК ученые собрали квазикристалл

Наноинженеры создали квазикристалл &mdash...

Physical Review Fluids: Волновую механику применили в нанометровом масштабе
Physical Review Fluids: Волновую механику применили в нанометровом масштабе

Исследователи показали, что принципы рабо...

Исследователи создали нанопленку, укрощающую огонь
Исследователи создали нанопленку, укрощающую огонь

Высокотемпературное пламя используется для&nbs...

Ученые разработали нанотатуировки для наблюдения за клетками
Ученые разработали нанотатуировки для наблюдения за клетками

Инженеры разработали наноразмерные татуировки&...

Ученые обнаружили нанороботов в живой ткани
Ученые обнаружили нанороботов в живой ткани

Самое удивительное, что они там, каж...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Новая реалистичная компьютерная модель поможет роботам собирать лунную пыль
Новая реалистичная компьютерная модель поможет роботам собирать лунную пыль
С помощью GPT-4 создали видеоуроки по педиатрии для слабо обеспеченных больниц
С помощью GPT-4 создали видеоуроки по педиатрии для слабо обеспеченных больниц
Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил следы нейтронной звезды в легендарной сверхновой
Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил следы нейтронной звезды в легендарной сверхновой
Нервная анорексия у мужчин опасна для жизни
Нервная анорексия у мужчин опасна для жизни
Nicotine & Tobacco Research: Запрет сигарет с ментолом помогает бросить курить
Nicotine & Tobacco Research: Запрет сигарет с ментолом помогает бросить курить
Новое исследование роли дофамина поможет лечить болезнь Паркинсона
Новое исследование роли дофамина поможет лечить болезнь Паркинсона
Мальротацию кишечника новорожденных помогут распутать лягушачьи икринки
Мальротацию кишечника новорожденных помогут распутать лягушачьи икринки
Nature Comm: Младенцев с синдромом Дауна в древности почитали как особенных
Nature Comm: Младенцев с синдромом Дауна в древности почитали как особенных
Крошечную метку на замену RFID сделали еще надежнее
Крошечную метку на замену RFID сделали еще надежнее
Освоение космоса: остановить нельзя развивать
Освоение космоса: остановить нельзя развивать
Гигантские антарктические морские пауки удивили всех отношением к потомству
Гигантские антарктические морские пауки удивили всех отношением к потомству
Геномы бабочек и мотыльков практически не изменились за 250 млн лет эволюции
Геномы бабочек и мотыльков практически не изменились за 250 млн лет эволюции
Ученые намерены глубже понять жизнь на Земле благодаря имиджеомике
Ученые намерены глубже понять жизнь на Земле благодаря имиджеомике
Как выглядит работающий рекламный баннер
Как выглядит работающий рекламный баннер
Исследование: теряя товарищей по стае, овсянки отказываются зимовать на прежнем месте
Исследование: теряя товарищей по стае, овсянки отказываются зимовать на прежнем месте

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса