재료 디자인의 혁신은 축구 선수, 자동차 탑승자 및 병원 환자를 도울 것입니 다.

축구 선수들이 프로 경력을 쌓는 동안 머리를 부딪히면서 자신도 모르게 영구적인 뇌 손상을 입었다는 사실이 발견되면서 더 나은 머리 보호 장치를 설계하기 시작했습니다. 이러한 발명품 중 하나는 축구 헬멧 내부의 재료인 나노폼입니다.

버지니아 대학의 기계 및 항공 우주 공학 부교수인 Baoxing Xu와 그의 연구팀 덕분에 나노폼은 이제 막 크게 업그레이드되었으며 보호용 스포츠 장비도 업그레이드될 수 있습니다. 새로 발명된 이 디자인은 나노폼을 “비습윤 이온화 액체”와 통합합니다. Xu와 그의 연구팀은 이제 액체 쿠션을 만들기 위해 나노폼과 완벽하게 혼합되는 것을 알고 있는 물의 형태입니다. 이 다재다능하고 반응성이 뛰어난 소재는 운동선수를 더 잘 보호할 수 있으며 차량 탑승자를 보호하고 웨어러블 의료 기기를 사용하는 병원 환자를 돕는 데 사용할 수 있습니다.

연구팀의 연구는 최근 고급 재료.

최대한의 안전을 위해 헬멧의 내층과 외층 사이에 끼워진 보호용 폼은 경기가 끝날 때마다 한 번의 타격뿐만 아니라 여러 번의 타격을 받을 수 있어야 합니다. 재료는 머리가 착지할 수 있는 부드러운 장소를 만들 수 있을 만큼 충분히 푹신해야 하지만, 다시 튀어올라 다음 타격에 대비할 수 있을 만큼 탄력적이어야 합니다. 그리고 재료는 탄력이 있어야 하지만 단단하지 않아야 합니다. 왜냐하면 “단단함”은 머리도 아프기 때문입니다. 하나의 재료로 이 모든 작업을 수행하는 것은 매우 어려운 일입니다.

팀은 이전에 발표된 작업을 발전시켰습니다. 국립 과학 아카데미 회보, 접촉이 많은 스포츠의 복잡한 안전 요구 사항을 충족하는 재료를 만들기 위해 나노폼에 액체를 사용하기 시작했습니다.

“우리는 일반 물 대신 이온수로 액체 나노폼 쿠션을 만들면 재료의 성능이 크게 달라진다는 사실을 발견했습니다.”라고 Xu는 말했습니다. “이온수를 디자인에 사용하는 것은 획기적인 액체-이온 조정 네트워크를 발견하여 보다 정교한 재료를 만들 수 있게 했기 때문에 획기적인 것입니다.”

액체 나노폼 쿠션은 헬멧 내부가 충격력을 압축 및 분산시켜 머리에 전달되는 힘을 최소화하고 부상 위험을 줄입니다. 또한 충돌 후 원래 모양을 되찾아 여러 번의 타격이 가능하고 경기 중 선수의 머리를 보호하는 헬멧의 지속적인 효과를 보장합니다.

“추가 보너스” Xu는 계속해서 “강화 소재가 더 유연하고 훨씬 더 편안하게 착용할 수 있다는 것입니다. 이 소재는 이온 클러스터와 네트워크가 소재에서 제조되는 방식 때문에 외부 충격에 동적으로 반응합니다.”라고 Xu는 계속 말했습니다.

“액체 쿠션은 더 가볍고 더 작고 더 안전한 보호 장치로 설계될 수 있습니다. “또한, 액체 나노폼 라이너의 감소된 무게와 크기는 미래 헬멧의 하드 쉘 디자인에 혁명을 일으킬 것입니다. 언젠가 축구 경기를 보고 작은 헬멧이 선수의 머리를 어떻게 보호하는지 궁금할 수 있습니다. 그럴 수 있습니다. 우리의 새로운 재료.”

기존의 나노폼에서 보호 메커니즘은 “붕괴” 및 “밀집화”와 같이 부서지거나 기계적으로 변형될 때 반응하는 재료 특성에 의존합니다. 붕괴는 말 그대로, 치밀화는 강한 충격에 폼이 심하게 변형되는 것입니다. 붕괴 및 치밀화 후, 기존의 나노폼은 재료의 영구 변형으로 인해 잘 회복되지 않아 보호가 일회성 거래가 됩니다. 액체 나노폼과 비교할 때, 이러한 특성은 매우 느리고(몇 밀리초) “높은 힘 감소 요구 사항”을 수용할 수 없습니다. 충돌 및 충격.

기존 나노폼의 또 다른 단점은 재료를 변형시키지 않는 여러 번의 작은 충격을 받을 때 폼이 완전히 “단단해지고” 보호를 제공할 수 없는 강체처럼 작동한다는 것입니다. 강성은 잠재적으로 외상성 뇌 손상(TBI)과 같은 부상 및 연조직 손상으로 이어질 수 있습니다.

재료의 기계적 특성을 조작함으로써(나노 다공성 재료를 “비습윤 액체” 또는 이온화된 물과 통합) 팀은 몇 시간 내에 충격에 반응할 수 있는 재료를 만드는 방법을 개발했습니다. 마이크로초 이 조합은 나노 한정된 환경에서 초고속 액체 수송을 가능하게 하기 때문입니다. 또한, 액상 나노폼 쿠션은 비습윤성으로 인해 언로딩 시, 즉 충격 후에 액체가 기공 밖으로 분출되어 반복적인 충격에도 견딜 수 있어 원래의 형태로 돌아갈 수 있다. 이 동적 순응 및 개질 능력은 또한 미세 충격으로 인해 재료가 단단해지는 문제를 해결합니다.

이 새로운 나노폼을 운동 장비에 더 안전하게 만드는 동일한 액체 특성은 자동차와 같이 충돌이 발생하는 다른 장소에서도 잠재적인 용도를 제공합니다. 자동차의 안전 및 재료 보호 시스템은 전기 추진 및 자동화 차량의 새로운 시대를 수용하기 위해 재고되고 있습니다. 사고 시 충격을 흡수하거나 진동과 소음을 줄이는 데 도움이 되는 보호 쿠션을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

분명하지 않을 수 있는 또 다른 목적은 액체 나노폼이 병원 환경에서 수행할 수 있는 역할입니다. 폼은 심박수 및 기타 생체 신호를 모니터링하는 스마트워치와 같은 웨어러블 의료 기기에 사용할 수 있습니다. 액체 나노폼 기술을 통합함으로써 시계의 밑면에 부드럽고 유연한 폼 같은 소재를 사용할 수 있으며 피부에 적절하게 접촉하여 센서의 정확도를 향상시키는 데 도움이 됩니다. 손목의 형태에 맞게 제작되어 하루종일 착용해도 편안합니다. 또한 폼은 충격 흡수 장치 역할을 하여 추가 보호 기능을 제공할 수 있습니다. 실수로 손목을 딱딱한 표면에 부딪힌 경우 폼이 충격을 완화하고 센서나 피부 손상을 방지할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230714163215.htm