Otkriće da su igrači američkog fudbala nesvesno dobijali trajno oštećenje mozga dok su dobijali udarce glavom tokom svoje profesionalne karijere stvorilo je nalet da se dizajnira bolja zaštita glave. Jedan od ovih pronalazaka je nanopena, materijal sa unutrašnje strane fudbalskih kaciga.
Zahvaljujući vanrednom profesoru mašinstva i vazduhoplovstva Baokingu Ksuu sa Univerziteta Virdžinije i njegovom istraživačkom timu, nanopena je upravo dobila veliku nadogradnju, a mogla bi i zaštitna sportska oprema. Ovaj novoizmišljeni dizajn integriše nanopenu sa „jonizovanom tečnošću koja ne vlaže“, oblikom vode za koji Ksu i njegov istraživački tim sada znaju da se savršeno meša sa nanopenom kako bi se stvorio tečni jastuk. Ovaj svestrani i prilagodljivi materijal pružiće bolju zaštitu sportistima i obećava za upotrebu u zaštiti putnika u automobilu i pomaganju bolničkim pacijentima koji koriste medicinske uređaje koji se mogu nositi.
Istraživanje tima je nedavno objavljeno u Advanced Materials.
Za maksimalnu bezbednost, zaštitna pena u sendviču između unutrašnjeg i spoljašnjeg sloja kacige ne bi trebalo da bude u stanju da podnese samo jedan udarac, već i više udaraca, utakmicu za utakmicom. Materijal treba da bude dovoljno jastučić da stvori meko mesto za sletanje glave, ali dovoljno otporan da se odbije i bude spreman za sledeći udarac. I materijal treba da bude otporan, ali ne i tvrd, jer i „tvrdo“ boli glava. Imati jedan materijal da uradi sve ove stvari je prilično težak zadatak.
Tim je unapredio svoj rad koji je ranije objavljen u Zborniku radova Nacionalne akademije nauka, koji je počeo da istražuje upotrebu tečnosti u nanopeni, kako bi stvorio materijal koji ispunjava složene bezbednosne zahteve sportova sa visokim kontaktom.
„Otkrili smo da je stvaranje tečnog jastuka od nanopene sa jonizovanom vodom umesto obične vode napravilo značajnu razliku u načinu na koji se materijal ponaša“, rekao je Ksu. „Korišćenje jonizovane vode u dizajnu je proboj jer smo otkrili neobičnu koordinacionu mrežu tečnih jona koja je omogućila stvaranje sofisticiranijeg materijala.
Jastuk od tečne nanopene omogućava da unutrašnjost kacige sabije i rasprši silu udara, minimizirajući silu koja se prenosi na glavu i smanjujući rizik od povreda. Takođe vraća svoj prvobitni oblik nakon udara, omogućavajući višestruke udarce i osiguravajući kontinuiranu efikasnost kacige u zaštiti glave sportiste tokom igre.
„Dodatni bonus“, nastavio je Ksu, „je to što je poboljšani materijal fleksibilniji i mnogo udobniji za nošenje. Materijal dinamički reaguje na spoljašnje udare zbog načina na koji su klasteri i mreže jona proizvedeni u materijalu.“
„Tečni jastuk može biti dizajniran kao lakši, manji i sigurniji zaštitni uređaji“, rekao je vanredni profesor Veiii Lu, saradnik građevinskog inženjerstva na Državnom univerzitetu Mičigen. „Takođe, smanjena težina i veličina obloga od tečne nanopene će revolucionisati dizajn tvrdog omotača budućih šlemova. Možda ćete jednog dana gledati fudbalsku utakmicu i pitati se kako manji šlemovi štite glave igrača. To bi moglo biti zato što našeg novog materijala“.
U tradicionalnoj nanopeni, zaštitni mehanizam se oslanja na svojstva materijala koja reaguju kada se zgnječi ili mehanički deformiše, kao što su „urušavanje“ i „zgušnjavanje“. Kolaps je ono što zvuči, a zgušnjavanje je teška deformacija pene pri jakom udaru. Nakon kolapsa i zgušnjavanja, tradicionalna nanopena se ne oporavlja baš dobro zbog trajne deformacije materijala — što zaštitu čini jednokratnim. U poređenju sa tečnom nanopenom, ova svojstva su veoma spora (nekoliko milisekundi) i ne mogu da ispune „zahtev za smanjenjem velike sile“, što znači da ne može efikasno da apsorbuje i rasprši udarce velike sile u kratkom vremenskom periodu povezanom sa sudari i udari.
Još jedna mana tradicionalne nanopene je da, kada je podvrgnuta višestrukim malim udarima koji ne deformišu materijal, pena postaje potpuno „tvrda“ i ponaša se kao kruto telo koje ne može da pruži zaštitu. Krutost može potencijalno dovesti do povreda i oštećenja mekih tkiva, kao što je traumatska povreda mozga (TBI).
Manipulisanjem mehaničkim svojstvima materijala – integracijom nanoporoznih materijala sa „tečnošću koja ne kvasi” ili jonizovanom vodom – tim je razvio način da napravi materijal koji bi mogao da odgovori na udare za nekoliko mikrosekundi jer ova kombinacija omogućava superbrz transport tečnosti u nanoograničeno okruženje. Takođe, nakon rasterećenja, odnosno nakon udara, zbog svoje nekvašeće prirode, tečni jastuk od nanopene može da se vrati u prvobitni oblik jer se tečnost izbacuje iz pora i tako izdržava ponovljene udarce. Ova sposobnost dinamičkog konformisanja i reformisanja takođe rešava problem krutosti materijala od mikro-udara.
Ista svojstva tečnosti koja ovu novu nanopenu čine bezbednijom za atletsku opremu takođe nude potencijalnu upotrebu na drugim mestima gde se sudari dešavaju, kao što su automobili, čiji se bezbednosni i materijalni zaštitni sistemi preispituju kako bi obuhvatili nastajuću eru električnog pogona i automatizovanih vozila. Može se koristiti za stvaranje zaštitnih jastuka koji apsorbuju udarce tokom nezgoda ili pomažu u smanjenju vibracija i buke.
Druga svrha koja možda nije toliko očigledna je uloga tečne nanopene u bolničkom okruženju. Pena se može koristiti u nosivim medicinskim uređajima kao što je pametni sat, koji prati vaš otkucaj srca i druge vitalne znake. Uključujući tehnologiju tečne nanopene, sat može imati mekan i fleksibilan materijal nalik peni na donjoj strani i pomoći u poboljšanju tačnosti senzora tako što će obezbediti pravilan kontakt sa vašom kožom. Može da bude u skladu sa oblikom vašeg zgloba, čineći ga udobnim za nošenje tokom celog dana. Pored toga, pena može pružiti dodatnu zaštitu delujući kao amortizer. Ako slučajno udarite zglobom o tvrdu površinu, pena može pomoći u ublažavanju udara i sprečiti bilo kakvo oštećenje senzora ili kože.
