Un avance en el diseño de materiales ayudará a los jugadores de fútbol, ​​a los ocupantes de automóviles y a los pacientes de hospitales

Oct 25, 2023

14 de julio de 2023

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por Wende Whitman, Universidad de Virginia

El descubrimiento de que los jugadores de fútbol, ​​sin saberlo, estaban adquiriendo daño cerebral permanente a medida que acumulaban golpes en la cabeza a lo largo de sus carreras profesionales generó una prisa por diseñar una mejor protección para la cabeza. Uno de estos inventos es la nanoespuma, el material del interior de los cascos de fútbol.

Gracias al profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial Baoxing Xu de la Universidad de Virginia y su equipo de investigación, la nanoespuma acaba de recibir una gran mejora y el equipo deportivo de protección también podría recibirlo. Este diseño recién inventado integra nanoespuma con "líquido ionizado no humectante", una forma de agua que Xu y su equipo de investigación ahora saben que se combina perfectamente con nanoespuma para crear un cojín líquido. Este material versátil y sensible brindará una mejor protección a los atletas y es prometedor para su uso en la protección de los ocupantes de automóviles y la ayuda a los pacientes hospitalarios que utilizan dispositivos médicos portátiles.

La investigación del equipo se publicó recientemente en Advanced Materials.

Para máxima seguridad, la espuma protectora intercalada entre las capas interna y externa de un casco no solo debe poder soportar un golpe sino múltiples, juego tras juego. El material debe ser lo suficientemente acolchado para crear un lugar suave para que aterrice la cabeza, pero lo suficientemente resistente como para rebotar y estar listo para el siguiente golpe. Y el material debe ser resistente pero no duro, porque lo "duro" también daña la cabeza. Tener un material para hacer todas estas cosas es una tarea bastante difícil.

El equipo avanzó en su trabajo publicado anteriormente en Proceedings of the National Academy of Sciences, que comenzó a explorar el uso de líquidos en nanoespuma para crear un material que cumpla con las complejas demandas de seguridad de los deportes de alto contacto.

"Descubrimos que crear un cojín de nanoespuma líquida con agua ionizada en lugar de agua normal marcó una diferencia significativa en el rendimiento del material", dijo Xu. "El uso de agua ionizada en el diseño es un gran avance porque descubrimos una red inusual de coordinación de iones líquidos que hizo posible crear un material más sofisticado".

El cojín de nanoespuma líquida permite que el interior del casco comprima y disperse la fuerza del impacto, minimizando la fuerza transmitida a la cabeza y reduciendo el riesgo de lesiones. También recupera su forma original después del impacto, lo que permite múltiples golpes y garantiza la eficacia continua del casco para proteger la cabeza del atleta durante el juego.

"Una ventaja adicional", continuó Xu, "es que el material mejorado es más flexible y mucho más cómodo de usar. El material responde dinámicamente a las sacudidas externas debido a la forma en que los grupos y redes de iones están fabricados en el material".

"El colchón líquido puede diseñarse como dispositivos de protección más ligeros, más pequeños y más seguros", dijo el profesor asociado Weiyi Lu, colaborador de ingeniería civil de la Universidad Estatal de Michigan. "Además, el peso y el tamaño reducidos de los revestimientos de nanoespuma líquida revolucionarán el diseño de la carcasa dura de los cascos del futuro. Un día podrías estar viendo un partido de fútbol y preguntarte cómo los cascos más pequeños protegen las cabezas de los jugadores. Podría deberse a que de nuestro nuevo material."

En la nanoespuma tradicional, el mecanismo de protección se basa en las propiedades del material que reaccionan cuando se aplasta o se deforma mecánicamente, como el "colapso" y la "densificación". El colapso es lo que parece, y la densificación es la deformación severa de la espuma ante un impacto fuerte. Después del colapso y la densificación, la nanoespuma tradicional no se recupera muy bien debido a la deformación permanente de los materiales, lo que hace que la protección sea un asunto de una sola vez. En comparación con la nanoespuma líquida, estas propiedades son muy lentas (unos pocos milisegundos) y no pueden adaptarse al "requisito de reducción de alta fuerza", lo que significa que no puede absorber ni disipar eficazmente golpes de alta fuerza en el corto período de tiempo asociado con colisiones e impactos.

Otra desventaja de la nanoespuma tradicional es que, cuando se somete a múltiples pequeños impactos que no deforman el material, la espuma se vuelve completamente "dura" y se comporta como un cuerpo rígido que no puede brindar protección. La rigidez podría provocar lesiones y daños a los tejidos blandos, como una lesión cerebral traumática (LCT).

Al manipular las propiedades mecánicas de los materiales (integrando materiales nanoporosos con "líquido no humectante" o agua ionizada), el equipo desarrolló una forma de fabricar un material que pudiera responder a impactos en unos pocos microsegundos porque esta combinación permite un transporte de líquido ultrarrápido en un entorno nanoconfinado. Además, al descargarse, es decir, después de los impactos, debido a su naturaleza no humectante, el cojín de nanoespuma líquida puede volver a su forma original porque el líquido es expulsado fuera de los poros, resistiendo así repetidos golpes. Esta capacidad dinámica de conformado y reformado también soluciona el problema de que el material se vuelva rígido debido a microimpactos.

Las mismas propiedades líquidas que hacen que esta nueva nanoespuma sea más segura para equipos deportivos también ofrecen un uso potencial en otros lugares donde ocurren colisiones, como los automóviles, cuyos sistemas de seguridad y protección de materiales se están reconsiderando para abrazar la era emergente de la propulsión eléctrica y los vehículos automatizados. Se puede utilizar para crear cojines protectores que absorban los impactos durante accidentes o ayuden a reducir las vibraciones y el ruido.

Otro propósito que podría no ser tan evidente es el papel que puede desempeñar la nanoespuma líquida en el ámbito hospitalario. La espuma se puede utilizar en dispositivos médicos portátiles, como un reloj inteligente, que controla la frecuencia cardíaca y otros signos vitales. Al incorporar la tecnología de nanoespuma líquida, el reloj puede tener un material suave y flexible similar a una espuma en su parte inferior y ayudar a mejorar la precisión de los sensores al garantizar un contacto adecuado con la piel. Puede adaptarse a la forma de tu muñeca, lo que lo hace cómodo de usar todo el día. Además, la espuma puede proporcionar protección adicional al actuar como amortiguador. Si accidentalmente golpea su muñeca contra una superficie dura, la espuma puede ayudar a amortiguar el impacto y evitar daños a los sensores o a su piel.

Más información: Yuan Gao et al, Red de coordinación de iones de agua nanoconfinada para dispositivos flexibles de disipación de energía, Materiales avanzados (2023). DOI: 10.1002/adma.202303759

Información de la revista:Materiales avanzados, Actas de la Academia Nacional de Ciencias

Proporcionado por la Universidad de Virginia