创新的纳米液体泡沫缓冲技术有望带来安全装备的革命

来源：cnBeta 　2023-07-27 16:55:29

随着人们发现足球运动员在其职业生涯中由于头部反复受到撞击而在不知不觉中造成永久性脑损伤，防护装备领域取得了重大突破。这一发现引发了人们对更好的头部防护解决方案的迫切需求。在这些创新中，纳米泡沫是足球头盔内的一种材料。

(资料图片仅供参考)

在弗吉尼亚大学机械与航空航天工程系副教授Baoxing Xu和他的研究团队的努力下，纳米泡沫刚刚得到了重大升级，防护运动器材也可以得到升级。这种新发明的设计将纳米泡沫与"非润湿离子液体"融为一体，徐宝星和他的研究团队现在知道，这种形式的水能与纳米泡沫完美融合，形成液体缓冲。这种用途广泛、反应灵敏的材料将为运动员提供更好的保护，并有望用于保护汽车乘员和帮助使用可穿戴医疗设备的医院病人。

该团队的研究成果最近发表在《先进材料》杂志上。

液态纳米泡沫缓冲垫如何应对冲击的示意图。资料来源：Baoxing Xu 供稿

为了达到最佳安全效果，夹在头盔内外层之间的防护泡沫不仅要能承受一次撞击，还要能承受多次撞击，而且要能承受一场又一场的比赛。这种材料既要有足够的缓冲性，为头部着地创造一个柔软的空间，又要有足够的弹性，能够反弹并准备好迎接下一次撞击。材料需要有弹性，但不能太硬，因为"硬"也会伤害头部。让一种材料做到所有这些是一项相当高的要求。

该团队推进了之前发表在《美国国家科学院院刊》上的工作，开始探索在纳米泡沫中使用液体，以创造一种能满足高接触运动复杂安全要求的材料。

Xu说："我们发现，用离子水而不是普通水制造液体纳米泡沫垫，会使材料的性能产生显著差异。在设计中使用离子水是一项突破，因为我们发现了一种不寻常的液态离子配位网络，从而有可能创造出一种更复杂的材料。"

弗吉尼亚大学机械与航空航天工程系副教授 Baoxing Xu。图片来源：Tom Cogill

液态纳米泡沫衬垫可使头盔内部压缩并分散冲击力，从而最大限度地减少传递到头部的力，降低受伤风险。它还能在撞击后恢复原状，允许多次撞击，确保头盔在比赛中持续有效地保护运动员的头部。此外，增强型材料更具柔韧性，佩戴更加舒适。由于离子群和网络在材料中的制造方式，这种材料能对外界的颠簸做出动态响应。液体缓冲器可以设计成更轻、更小、更安全的保护装置，液态纳米泡沫衬垫重量和体积的减小将彻底改变未来头盔硬壳的设计。

在传统纳米泡沫中，保护机制依赖于材料在受到挤压或机械变形时的反应特性，如"塌陷"和"致密化"。塌陷听起来就像它的名字一样，而致密化则是泡沫在受到强烈撞击时的严重变形。在塌陷和致密化之后，传统的纳米泡沫由于材料的永久变形而不能很好地恢复，因此保护作用只能是一次性的。与液态纳米泡沫相比，这些特性非常缓慢（几毫秒），无法满足"减少高力要求"，即无法在碰撞和冲击的短时间内有效吸收和消散高力冲击。

传统纳米泡沫的另一个缺点是，当受到多次不会使材料变形的小撞击时，泡沫会变得完全"坚硬"，表现为无法提供保护的刚性体。这种刚性有可能导致软组织受伤和损坏，如创伤性脑损伤（TBI）。

通过操纵材料的机械特性--将纳米多孔材料与 "非润湿液体 "或离子水相结合--研究小组开发出一种方法，制造出一种能在几微秒内对撞击做出反应的材料，因为这种组合能在纳米封闭环境中实现超快的液体传输。此外，在卸载时，即受到冲击后，由于其不湿润的特性，液体纳米泡沫垫可以恢复到原来的形态，因为液体会从孔隙中喷射出来，从而经受住反复的冲击。这种动态保形和重塑能力还能解决材料因微小冲击而变得僵硬的问题。

这种新型纳米泡沫材料的液态特性使其在运动装备中的应用更加安全，同样也可用于其他发生碰撞的场所，例如汽车，汽车的安全和材料保护系统正在重新考虑，以适应新兴的电动推进和自动驾驶汽车时代。它可以用来制造保护垫，在事故中吸收冲击力，或帮助减少震动和噪音。

另一个可能不那么明显的用途是液体纳米泡沫在医院环境中可以发挥的作用。这种泡沫可用于监测心率和其他生命体征的智能手表等可穿戴医疗设备。通过采用液态纳米泡沫技术，手表底部可以有一种柔软而有弹性的泡沫状材料，通过确保与皮肤的适当接触来帮助提高传感器的准确性。它可以贴合手腕的形状，佩戴一整天都很舒适。此外，泡沫还能起到减震的作用，提供额外的保护。如果您不小心将手腕撞到坚硬的表面，泡沫可以帮助缓冲冲击力，防止对传感器或皮肤造成伤害。

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