La innovadora tecnología de amortiguación líquida promete una revolución en el equipo de seguridad

Por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia 26 de julio de 2023

Un material avanzado de nanoespuma promete una mayor protección y comodidad para el equipo deportivo, con aplicaciones potenciales en sistemas de seguridad para automóviles y dispositivos médicos portátiles. El material innovador supera las limitaciones de la nanoespuma tradicional y proporciona una solución flexible y cómoda que puede soportar múltiples impactos. (Concepto artístico que dramatiza el colchón de seguridad “líquido”).

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

Se ha logrado un avance significativo en el campo de los equipos de protección con el descubrimiento de que los jugadores de fútbol sufrían, sin saberlo, daño cerebral permanente debido a repetidos impactos en la cabeza a lo largo de sus carreras profesionales. Este descubrimiento desencadenó una búsqueda urgente de mejores soluciones de protección para la cabeza. Entre estas innovaciones se encuentra la nanoespuma, un material que se encuentra dentro 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 colchón 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 fue publicada recientemente en la revista Advanced Materials.

Un diagrama que ilustra cómo responde un cojín de nanoespuma líquida a un impacto. Crédito: Contribuido por B. Xu

Para una seguridad óptima, 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 duele 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 inusual red de coordinación de iones líquidos que hizo posible crear un material más sofisticado".

Profesor asociado Baoxing Xu en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la UVA. Crédito: Tom Cogill

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 se fabrican los grupos y redes de iones 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 futuros cascos. 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 nuestro nuevo material”.

En la nanoespuma tradicional, el mecanismo de protección se basa en las propiedades del material que reaccionan cuando se tritura 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 impactos pequeños 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.

Another purpose that might not be as evident is the role liquid nanofoam can play in the hospital setting. The foam can be used in wearable medical devices like a smartwatch, which monitors your heart rate and other vital signs. By incorporating liquid nanofoam technology, the watch can have a soft and flexible foam-like material on its underside and help improve the accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> precisión de los sensores garantizando 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.

Referencia: “Red de coordinación de iones de agua nanoconfinada para dispositivos flexibles de disipación de energía” por Yuan Gao, Mingzhe Li, Chi Zhan, Haozhe Zhang, Mengtian Yin, Weiyi Lu y Baoxing Xu, 6 de julio de 2023, Advanced Materials.DOI: 10.1002/adma. 202303759