材料設計の画期的な進歩は、サッカー選手、車の乗員、入院患者を助けるでしょう

Oct 25, 2023

2023 年 7 月 14 日

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バージニア大学ウェンデ・ホイットマン著

フットボール選手がプロとしてのキャリアを通じて頭部への衝撃を重ねるうちに、知らず知らずのうちに永久的な脳損傷を受けていることが発見され、より優れた頭部保護の設計が急務となった。 これらの発明の 1 つは、フットボール ヘルメットの内側の素材であるナノフォームです。

バージニア大学の機械航空宇宙工学准教授 Baoxing Xu とその研究チームのおかげで、ナノフォームが大幅にアップグレードされ、保護スポーツ用品も同様にアップグレードされる可能性があります。 この新たに発明されたデザインは、ナノフォームと「非湿潤性イオン化液体」を統合するもので、徐氏と彼の研究チームは現在、この液体がナノフォームと完全に混ざり合って液体クッションを作り出すことがわかっている。 この多用途で反応性に優れた素材は、アスリートに優れた保護を提供し、車の乗員を保護したり、ウェアラブル医療機器を使用している入院患者を支援したりする際の使用が期待されています。

このチームの研究は最近、『Advanced Materials』誌に掲載されました。

安全性を最大限に高めるために、ヘルメットの内層と外層の間に挟まれた保護フォームは、1 回の打撃だけでなく、試合ごとに複数回の打撃にも耐えられる必要があります。 素材には、頭が着地するための柔らかい場所を作り出すのに十分なクッション性が必要ですが、跳ね返って次の打撃に備えるのに十分な弾力性も必要です。 また、素材は弾力性がある必要がありますが、硬くない必要があります。「硬い」と頭も痛くなるからです。 1 つのマテリアルでこれらすべてのことを行うのは、かなり難しい注文です。

研究チームは、以前に米国科学アカデミー紀要に掲載された研究を進め、接触の多いスポーツの複雑な安全要求を満たす材料を作成するために、ナノフォームにおける液体の使用を検討し始めました。

「通常の水の代わりにイオン化水を使用して液体ナノフォームクッションを作成すると、材料の性能に大きな違いが生じることがわかりました」と Xu 氏は述べています。 「設計にイオン水を使用することは画期的です。なぜなら、より洗練された材料の作成を可能にする珍しい液体イオンの配位ネットワークを発見したからです。」

液体ナノフォームクッションにより、ヘルメット内部が圧縮されて衝撃力が分散され、頭に伝わる力が最小限に抑えられ、怪我のリスクが軽減されます。 また、衝撃後に元の形状に戻るため、複数回の打撃を許容し、試合中にアスリートの頭を保護するヘルメットの継続的な効果を保証します。

Xu氏はさらに、「追加のボーナスは、強化された材料がより柔軟で、着用がはるかに快適であることです。材料内にイオンクラスターとネットワークが製造される方法により、材料は外部の衝撃に動的に反応します。」と述べた。

ミシガン州立大学の土木工学の共同研究者であるウェイイー・ルー准教授は、「液体クッションは、より軽量、小型、より安全な保護装置として設計できる」と述べた。 「また、液体ナノフォームライナーの軽量化とサイズの縮小は、将来のヘルメットのハードシェルの設計に革命をもたらすでしょう。ある日、フットボールの試合を観戦していて、小さなヘルメットが選手の頭をどのように保護するのか疑問に思うかもしれません。それはおそらく次の理由によるものです。」私たちの新しい素材です。」

従来のナノフォームでは、保護メカニズムは、「崩壊」や「緻密化」など、砕けたり機械的に変形したときに反応する材料特性に依存しています。 崩壊とはその名のとおりであり、緻密化とは、強い衝撃を受けたときにフォームが激しく変形することです。 従来のナノフォームは、崩壊して緻密化した後、材料が永久変形するためあまりうまく回復せず、保護が 1 回限りのものになってしまいます。 液体ナノフォームと比較すると、これらの特性は非常に遅く（数ミリ秒）、「強い力の軽減要件」に対応できません。つまり、ナノフォームに伴う短い時間枠で強い力の衝撃を効果的に吸収および消散させることができません。衝突と衝撃。