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

JACS: Инфракрасное облучение заставляет атомы «танцевать румбу»
JACS: Инфракрасное облучение заставляет атомы «танцевать румбу»

Когда молекулы облучают инфракрасным светом, о...

ACS Applied Nano Materials: Наноструктуры Au-BiFeO3 сделают планету чище
ACS Applied Nano Materials: Наноструктуры Au-BiFeO3 сделают планету чище

Потребность в устойчивых и экологичн...

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...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Applied Catalysis: MXene поможет получать экономически выгодный зеленый водород
Applied Catalysis: MXene поможет получать экономически выгодный зеленый водород
35% переболевших коронавирусом в течение года столкнулись с ухудшением здоровья
35% переболевших коронавирусом в течение года столкнулись с ухудшением здоровья
Science Immunology: Воспаление мозга вызывает мышечную слабость после инфекций
Science Immunology: Воспаление мозга вызывает мышечную слабость после инфекций
Acta Biomaterialia: Гидрогель поможет понять механизм развития Альцгеймера
Acta Biomaterialia: Гидрогель поможет понять механизм развития Альцгеймера
CSAA: Как восстановить мир в городе после конфликта — проблемы и перспективы
CSAA: Как восстановить мир в городе после конфликта — проблемы и перспективы
Новая технология фотоэлектрических модулей оптимизирована для городских условий
Новая технология фотоэлектрических модулей оптимизирована для городских условий
Nature Ecology & Evolution: Всеобщий предок LUCA оказался старше, чем считалось
Nature Ecology & Evolution: Всеобщий предок LUCA оказался старше, чем считалось
ИИ лучше клинических тестов справился с прогнозом течения болезни Альцгеймера
ИИ лучше клинических тестов справился с прогнозом течения болезни Альцгеймера
International Journal of Hydrogen Energy: К 2045 году будем летать на водороде
International Journal of Hydrogen Energy: К 2045 году будем летать на водороде
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
Нанопластики нарушают структуру и функциональность белков в грудном молоке
Нанопластики нарушают структуру и функциональность белков в грудном молоке
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Cell: Впервые восстановлена трёхмерная структура хромосом шерстистого мамонта
Cell: Впервые восстановлена трёхмерная структура хромосом шерстистого мамонта
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным

Новости компаний, релизы

Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Межсетевой экран защитит компьютерные системы от киберугроз
Университет МИСИС будет готовить специалистов в сфере квантовых технологий
Казанский ГАУ запускает подготовку специалистов по экологии и природопользованию
40% профессионалов предпочитают работать удаленно с дачи