התגלית ששחקני כדורגל סובלים ללא ידיעתו נזק מוחי קבוע כשהם ספגו פגיעות ראש לאורך הקריירה המקצועית שלהם, יצרה ממהר לתכנן הגנה טובה יותר על הראש. אחת ההמצאות הללו היא ננו-קצף, החומר המצוי בחלק הפנימי של קסדות כדורגל.
הודות לפרופסור עמית להנדסת מכונות וחלל באושינג שו מאוניברסיטת וירג'יניה וצוות המחקר שלו, ננו-קצף פשוט קיבל שדרוג גדול וגם ציוד ספורט מגן יכול היה. עיצוב זה שהומצא לאחרונה משלב ננו-קצף עם "נוזל מיונן שאינו מרטיב", צורה של מים ששו וצוות המחקר שלו יודעים כעת משתלבים בצורה מושלמת עם ננו-קצף ליצירת כרית נוזלית. החומר הרב-תכליתי והמגיב הזה יעניק הגנה טובה יותר לספורטאים והוא מבטיח לשימוש בהגנה על נוסעי המכוניות וסיוע לחולים בבתי חולים באמצעות מכשירים רפואיים לבישים.
המחקר של הצוות פורסם לאחרונה ב חומרים מתקדמים.
לבטיחות מירבית, קצף ההגנה הכרוך בין השכבה הפנימית והחיצונית של הקסדה אמור להיות מסוגל לא רק לחטוף מכה אחת אלא מספר מכה, משחק אחרי משחק. החומר צריך להיות מספיק ריפוד כדי ליצור מקום רך לראש לנחיתה, אבל גמיש מספיק כדי לקפוץ לאחור ולהיות מוכן למכה הבאה. והחומר צריך להיות גמיש אבל לא קשה, כי "קשה" פוגע גם בראשים. העובדה שחומר אחד יעשה את כל הדברים האלה היא משימה די גבוהה.
הצוות קידם את עבודתם שפורסמה בעבר ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים, שהחלה לחקור את השימוש בנוזלים בננו-קצף, כדי ליצור חומר העונה על דרישות הבטיחות המורכבות של ספורט בעלי מגע גבוה.
"גילינו שיצירת כרית ננו-קצף נוזלית עם מים מיוננים במקום מים רגילים עשתה הבדל משמעותי בביצועי החומר", אמר שו. "השימוש במים מיוננים בעיצוב הוא פריצת דרך מכיוון שחשפנו רשת תיאום נוזל-יון יוצאת דופן שאפשרה ליצור חומר מתוחכם יותר".
כרית הננו-קצף הנוזלית מאפשרת לחלק הפנימי של הקסדה לדחוס ולפזר את כוח הפגיעה, למזער את הכוח המועבר לראש ולהפחית את הסיכון לפציעה. היא גם מחזירה את צורתה המקורית לאחר הפגיעה, מה שמאפשר מכות מרובות ומבטיח את המשך היעילות של הקסדה בהגנה על ראשו של הספורטאי במהלך המשחק.
"בונוס נוסף", המשיך שו, "הוא שהחומר המשופר גמיש יותר והרבה יותר נוח ללבישה. החומר מגיב באופן דינמי לטלטולים חיצוניים בגלל האופן שבו מיוצרים צבירי היונים והרשתות בחומר".
"ניתן לעצב את הכרית הנוזלית כאמצעי הגנה קלים יותר, קטנים ובטוחים יותר", אמר פרופסור חבר Weiyi Lu, משתף פעולה מהנדסה אזרחית באוניברסיטת מישיגן סטייט. "כמו כן, המשקל והגודל המופחת של ספינות הננו-קצף הנוזליות יחוללו מהפכה בעיצוב המעטפת הקשה של קסדות עתידיות. אתה יכול לצפות במשחק כדורגל יום אחד ולתהות כיצד הקסדות הקטנות יותר מגנות על ראשי השחקנים. זה יכול להיות בגלל של החומר החדש שלנו".
בננו-קצף מסורתי, מנגנון ההגנה מסתמך על תכונות חומר המגיבות כאשר הוא נקרע, או מעוות מכני, כגון "התמוטטות" ו"צפיפות". קריסה היא מה שזה נשמע, וצפיפות היא עיוות חמור של קצף על פגיעה חזקה. לאחר הקריסה והצפיפות, הננו-קצף המסורתי לא מתאושש היטב בגלל העיוות הקבוע של החומרים – מה שהופך את ההגנה לעסקה חד פעמית. בהשוואה לננו-קצף הנוזלי, התכונות הללו איטיות מאוד (כמה אלפיות שניות) ואינן יכולות לעמוד ב"דרישת הפחתת הכוח הגבוה", כלומר, היא אינה יכולה לספוג ולפזר ביעילות מכות בכוח גבוה בחלון הזמן הקצר הקשור התנגשויות והשפעות.
חיסרון נוסף של הננו-קצף המסורתי הוא שכאשר הוא נתון לפגיעות קטנות מרובות שאינן מעוותות את החומר, הקצף הופך "קשה" לחלוטין ומתנהג כגוף קשיח שאינו יכול לספק הגנה. הנוקשות עלולה להוביל לפציעות ולנזק לרקמות רכות, כגון פגיעה מוחית טראומטית (TBI).
על ידי מניפולציה של התכונות המכניות של חומרים – שילוב חומרים ננו-נקביים עם "נוזל לא מרטיב" או מים מיוננים – הצוות פיתח דרך ליצור חומר שיכול להגיב לפגיעות תוך כמה מיקרו שניות מכיוון שהשילוב הזה מאפשר הובלת נוזלים מהירה במיוחד בסביבה מוגבלת ננו. כמו כן, עם פריקה, כלומר לאחר פגיעות, בשל אופייה שאינו מרטיב, כרית הננו-קצף הנוזלית יכולה לחזור לצורתה המקורית מכיוון שהנוזל נפלט מהנקבוביות, ובכך לעמוד במכות חוזרות ונשנות. יכולת התאמה ורפורמה דינמית זו פותרת גם את הבעיה של התקשות החומר כתוצאה מהשפעות מיקרו.
אותן תכונות נוזליות שהופכות את הננו-קצף החדש הזה לבטוח יותר עבור ציוד אתלטי מציעות שימוש פוטנציאלי גם במקומות אחרים שבהם קורות התנגשויות, כמו מכוניות, שמערכות הבטיחות וההגנה על החומרים שלהן נשקלו מחדש כדי לאמץ את העידן המתהווה של הנעה חשמלית וכלי רכב אוטומטיים. ניתן להשתמש בו כדי ליצור כריות הגנה שסופגות פגיעות במהלך תאונות או לעזור להפחית רעידות ורעש.
מטרה נוספת שאולי לא ברורה באותה מידה היא התפקיד הננו-קצף הנוזלי יכול למלא במסגרת בית החולים. ניתן להשתמש בקצף במכשירים רפואיים לבישים כמו שעון חכם, המנטר את קצב הלב שלך וסימנים חיוניים אחרים. על ידי שילוב טכנולוגיית ננו-קצף נוזלי, השעון יכול לקבל חומר דמוי קצף רך וגמיש בצד התחתון שלו ולעזור לשפר את דיוק החיישנים על ידי הבטחת מגע נכון עם העור שלך. זה יכול להתאים לצורת פרק כף היד שלך, מה שהופך אותו נוח ללבישה כל היום. בנוסף, הקצף יכול לספק הגנה נוספת על ידי פעולתו כבולם זעזועים. אם אתה נתקל בטעות בפרק כף היד שלך במשטח קשה, הקצף יכול לעזור לרכך את הפגיעה ולמנוע כל נזק לחיישנים או לעור שלך.
קישור לכתבת המקור – 2023-07-14 23:32:15
