一种先进的纳米泡沫材料有望改善运动装备的保护和舒适度，在汽车安全系统和可穿戴医疗设备上有潜在的应用。这种创新材料克服了传统纳米泡沫的局限性，提供了一种灵活舒适的解决方案，可以承受多次冲击。(艺术家将“液体”安全垫戏剧化的概念图。)
材料设计的新突破将帮助足球运动员、汽车乘客和医院病人。
在防护装备领域取得了重大突破，发现足球运动员在他们的职业生涯中，由于反复的头部撞击，在不知不觉中获得了永久性的脑损伤。这一认识促使人们紧急寻求更好的头部保护解决方案。这些创新之一是纳米泡沫，一种在橄榄球头盔中发现的材料。
多亏了弗吉尼亚大学机械和航空航天工程副教授徐宝兴和他的研究团队，纳米泡沫刚刚得到了一个大的升级，保护性运动装备也可以。这种新发明的设计将纳米泡沫与“不湿润的电离液体”结合在一起，徐和他的研究团队现在知道，水的一种形式可以与纳米泡沫完美混合，形成液体缓冲。这种多功能和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使用可穿戴医疗设备帮助医院病人。
该团队的研究最近发表在《先进材料》杂志上。
说明液体纳米泡沫缓冲垫如何应对冲击的示意图。Credit: B. Xu贡献
升级纳米泡沫:进步和潜力
为了获得最佳的安全性，夹在头盔内层和外层之间的保护性泡沫不仅应该能够承受一次撞击，而且应该能够承受多次撞击，一场接一场。这种材料需要足够的缓冲，为头部落地创造一个柔软的地方，但又要有足够的弹性，以便弹回来，为下一次打击做好准备。这种材料需要有弹性，但不硬，因为“硬”也会伤到头部。让一种材料做所有这些事情是一个相当高的要求。
该团队之前在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究成果，他们开始探索在纳米泡沫中使用液体，以创造一种满足高接触运动复杂安全要求的材料。
徐说:“我们发现，用离子水而不是普通水来制造液体纳米泡沫垫，在材料的性能上有了显著的不同。”“在设计中使用离子水是一个突破，因为我们发现了一个不寻常的液体-离子协调网络，这使得创造更复杂的材料成为可能。”
UVA机械与航天工程系副教授许宝兴。来源:Tom Cogill
增强的性能和舒适度
液体纳米泡沫垫可以让头盔内部压缩和分散冲击力，最大限度地减少传递到头部的力，降低受伤的风险。它也恢复其原有的形状后的冲击，允许多次打击，并确保头盔的持续有效性在保护运动员的头部在比赛中。
“一个额外的好处是，”徐继续说道，“增强的材料更灵活，穿起来更舒适。由于离子簇和网络在材料中形成的方式，这种材料对外部震动做出了动态响应。”
密歇根州立大学土木工程学院副教授陆伟义(音译)说:“这种液体垫子可以被设计成更轻、更小、更安全的保护装置。”此外，液体纳米泡沫衬垫的重量和尺寸的减轻将彻底改变未来头盔硬壳的设计。你可能有一天在看足球比赛，想知道小头盔是如何保护球员的头部的。这可能是因为我们的新材料。”
克服让渡纳米泡沫的局限性
在传统的纳米泡沫中，保护机制依赖于材料的特性，当它被挤压或机械变形时，比如“崩溃”和“致密化”。崩塌就是它听起来的样子，致密化是泡沫在强烈撞击下的严重变形。传统的纳米泡沫材料在崩溃和致密化后，由于材料的永久变形而不能很好地恢复，使得保护成为一次性的交易。与液体纳米泡沫相比，这些性能非常缓慢(几毫秒)，无法适应“高强度降低要求”，这意味着它不能在与碰撞和冲击相关的短时间内有效吸收和消散高强度打击。
传统纳米泡沫的另一个缺点是，当受到多次小的冲击而不会使材料变形时，泡沫会变得完全“硬”，并且表现为刚性体，无法提供保护。这种刚性可能会导致软组织损伤，如创伤性脑损伤(TBI)。
通过操纵材料的机械性能——将纳米多孔材料与“非湿润液体”或离子水结合起来——研究小组开发了一种方法，使材料能够在几微秒内对撞击做出反应，因为这种组合允许在纳米限制的环境中超高速液体传输。此外，在卸载后，即撞击后，由于液体纳米泡沫垫的不润湿性，液体纳米泡沫垫可以恢复到原来的形状，因为液体会从孔隙中喷出，从而承受反复的打击。这种动态调整和重整能力也弥补了材料因微冲击而变硬的问题。
液体纳米泡沫的扩展应用
同样的液体特性使得这种新型纳米泡沫在运动装备上更安全，也为其他发生碰撞的地方提供了潜在的用途，比如汽车，汽车的安全和材料保护系统正在重新考虑，以适应新兴的电力推进和自动驾驶汽车时代。它可以用来制造保护垫，在事故中吸收冲击或帮助减少振动和噪音。
另一个可能不那么明显的目的是液体纳米泡沫在医院环境中可以发挥的作用。这种泡沫可以用于可穿戴医疗设备，比如智能手表，它可以监测你的心率和其他生命体征。通过结合液体纳米泡沫技术，手表的底部可以有一个柔软而有弹性的泡沫状材料，通过确保与皮肤的适当接触，有助于提高传感器的准确性。它可以符合你的手腕形状，使其舒适的佩戴一整天。此外，泡沫可以作为减震器提供额外的保护。如果你不小心把手腕撞到坚硬的表面上，泡沫可以帮助缓冲冲击，防止对传感器或皮肤造成任何伤害。
参考文献:“柔性耗能装置的纳米水离子配位网络”，高远，李明哲，詹驰，张浩哲，尹梦天，卢伟毅，徐宝兴，2023年7月6日。DOI: 10.1002 / adma.202303759
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评论列表（4条）
我是文学号的签约作者“珀图”！
希望本篇文章《创新的液体缓冲技术保证了安全装备的革命》能对你有所帮助！
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