Avanço no design de materiais ajudará jogadores de futebol, ocupantes de automóveis e pacientes de hospitais

Oct 25, 2023

14 de julho de 2023

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por Wende Whitman, Universidade da Virgínia

A descoberta de que os jogadores de futebol estavam, sem saber, adquirindo danos cerebrais permanentes à medida que sofriam pancadas na cabeça ao longo de suas carreiras profissionais, criou uma corrida para projetar uma melhor proteção para a cabeça. Uma dessas invenções é a nanoespuma, o material utilizado na parte interna dos capacetes de futebol.

Graças ao professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial Baoxing Xu, da Universidade da Virgínia, e sua equipe de pesquisa, a nanoespuma acaba de receber uma grande atualização e os equipamentos esportivos de proteção também poderiam. Este design recém-inventado integra nanoespuma com “líquido ionizado não molhante”, uma forma de água que Xu e sua equipe de pesquisa agora sabem que combina perfeitamente com nanoespuma para criar uma almofada líquida. Este material versátil e responsivo proporcionará melhor proteção aos atletas e é promissor para uso na proteção de ocupantes de automóveis e no auxílio a pacientes hospitalares que utilizam dispositivos médicos vestíveis.

A pesquisa da equipe foi publicada recentemente na Advanced Materials.

Para máxima segurança, a espuma protetora imprensada entre as camadas interna e externa de um capacete não deve apenas ser capaz de suportar um golpe, mas vários golpes, jogo após jogo. O material precisa ser macio o suficiente para criar um local macio para a cabeça pousar, mas resistente o suficiente para se recuperar e estar pronto para o próximo golpe. E o material precisa ser resistente, mas não duro, porque “duro” também machuca a cabeça. Ter um material para fazer todas essas coisas é uma tarefa bastante difícil.

A equipe avançou com seu trabalho publicado anteriormente no Proceedings of the National Academy of Sciences, que começou a explorar o uso de líquidos em nanoespuma, para criar um material que atenda às complexas demandas de segurança dos esportes de alto contato.

“Descobrimos que a criação de uma almofada de nanoespuma líquida com água ionizada em vez de água normal fez uma diferença significativa no desempenho do material”, disse Xu. "Usar água ionizada no projeto é um avanço porque descobrimos uma rede incomum de coordenação de íons líquidos que tornou possível criar um material mais sofisticado."

A almofada de nanoespuma líquida permite que o interior do capacete comprima e disperse a força de impacto, minimizando a força transmitida à cabeça e reduzindo o risco de lesões. Também recupera a forma original após o impacto, permitindo múltiplos golpes e garantindo a eficácia contínua do capacete na proteção da cabeça do atleta durante o jogo.

"Um bônus adicional", continuou Xu, "é que o material aprimorado é mais flexível e muito mais confortável de usar. O material responde dinamicamente a choques externos devido à forma como os aglomerados e redes de íons são fabricados no material."

“A almofada líquida pode ser projetada como um dispositivo de proteção mais leve, menor e mais seguro”, disse o professor associado Weiyi Lu, colaborador de engenharia civil da Michigan State University. "Além disso, o peso e o tamanho reduzidos dos revestimentos de nanoespuma líquida revolucionarão o design da carcaça rígida dos futuros capacetes. Um dia, você poderia estar assistindo a um jogo de futebol e se perguntar como os capacetes menores protegem as cabeças dos jogadores. Pode ser porque do nosso novo material."

Na nanoespuma tradicional, o mecanismo de proteção depende das propriedades do material que reagem quando ele é triturado ou deformado mecanicamente, como "colapso" e "densificação". Colapso é o que parece, e densificação é a deformação severa da espuma com forte impacto. Após o colapso e a densificação, a nanoespuma tradicional não se recupera muito bem devido à deformação permanente dos materiais – tornando a proteção um negócio único. Quando comparadas com a nanoespuma líquida, essas propriedades são muito lentas (alguns milissegundos) e não podem acomodar o "requisito de redução de alta força", o que significa que não pode absorver e dissipar efetivamente golpes de alta força no curto espaço de tempo associado. colisões e impactos.