L'innovativa tecnologia di ammortizzazione liquida promette la rivoluzione nell'equipaggiamento di sicurezza

A cura della Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate dell'Università della Virginia, 26 luglio 2023

Un materiale avanzato in nanoschiuma promette una migliore protezione e comfort per le attrezzature sportive, con potenziali applicazioni nei sistemi di sicurezza delle auto e nei dispositivi medici indossabili. Il materiale innovativo supera i limiti della tradizionale nanoschiuma, fornendo una soluzione flessibile e confortevole in grado di resistere a molteplici impatti. (Concetto dell'artista che drammatizza il cuscino di sicurezza "liquido".)

Una nuova svolta nella progettazione dei materiali aiuterà i giocatori di football, gli occupanti delle auto e i pazienti ospedalieri.

Un passo avanti significativo nel campo degli equipaggiamenti protettivi è stato fatto con la scoperta che i giocatori di football subivano inconsapevolmente danni cerebrali permanenti a causa di ripetuti impatti alla testa nel corso della loro carriera professionale. Questa consapevolezza ha innescato una ricerca urgente di migliori soluzioni di protezione della testa. Tra queste innovazioni c’è la nanoschiuma, un materiale presente all’interno dei caschi da football.

Grazie al professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale Baoxing Xu presso l'Università della Virginia e al suo gruppo di ricerca, la nanoschiuma ha appena ricevuto un grande aggiornamento e anche l'attrezzatura sportiva protettiva potrebbe farlo. Questo design di nuova invenzione integra la nanoschiuma con un “liquido ionizzato non bagnante”, una forma di acqua che Xu e il suo gruppo di ricerca ora sanno che si fonde perfettamente con la nanoschiuma per creare un cuscino liquido. Questo materiale versatile e reattivo offrirà una migliore protezione agli atleti e promette di essere utilizzato per proteggere gli occupanti delle auto e aiutare i pazienti ospedalieri che utilizzano dispositivi medici indossabili.

La ricerca del team è stata recentemente pubblicata sulla rivista Advanced Materials.

Un diagramma che illustra come un cuscino in nanoschiuma liquida risponde a un impatto. Credito: Contributo di B. Xu

Per una sicurezza ottimale, la schiuma protettiva inserita tra gli strati interno ed esterno di un casco non dovrebbe essere in grado di sopportare solo un colpo ma più colpi, partita dopo partita. Il materiale deve essere sufficientemente ammortizzato da creare un luogo morbido in cui la testa possa atterrare, ma abbastanza resistente da riprendersi ed essere pronto per il colpo successivo. E il materiale deve essere resistente ma non duro, perché anche il “duro” fa male alla testa. Avere un materiale che fa tutte queste cose è un compito piuttosto arduo.

Il team ha portato avanti il ​​lavoro precedentemente pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences, che ha iniziato a esplorare l’uso di liquidi nella nanoschiuma, per creare un materiale che soddisfi le complesse esigenze di sicurezza degli sport ad alto contatto.

"Abbiamo scoperto che la creazione di un cuscino di nanoschiuma liquida con acqua ionizzata invece dell'acqua normale ha fatto una differenza significativa nel modo in cui il materiale ha funzionato", ha affermato Xu. “L’utilizzo dell’acqua ionizzata nella progettazione è una svolta perché abbiamo scoperto un’insolita rete di coordinazione degli ioni liquidi che ha reso possibile la creazione di un materiale più sofisticato”.

Professore Associato Baoxing Xu presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale dell'UVA. Credito: Tom Cogill

Il cuscino in nanoschiuma liquida consente all'interno del casco di comprimere e disperdere la forza d'impatto, minimizzando la forza trasmessa alla testa e riducendo il rischio di lesioni. Inoltre, riacquista la sua forma originale dopo l'impatto, consentendo colpi multipli e garantendo la continua efficacia del casco nel proteggere la testa dell'atleta durante il gioco.

“Un ulteriore vantaggio”, ha continuato Xu, “è che il materiale migliorato è più flessibile e molto più comodo da indossare. Il materiale risponde dinamicamente alle scosse esterne a causa del modo in cui i cluster e le reti di ioni sono fabbricati nel materiale”.

“Il cuscino liquido può essere progettato come dispositivo di protezione più leggero, più piccolo e più sicuro”, ha affermato il professore associato Weiyi Lu, collaboratore di ingegneria civile presso la Michigan State University. “Inoltre, il peso e le dimensioni ridotti dei rivestimenti in nanoschiuma liquida rivoluzioneranno il design della calotta rigida dei futuri caschi. Un giorno potresti guardare una partita di calcio e chiederti come i caschi più piccoli proteggono la testa dei giocatori. Potrebbe essere a causa del nostro nuovo materiale.