Une percée dans la conception des matériaux aidera les joueurs de football, les occupants des voitures et les patients hospitalisés

Oct 25, 2023

14 juillet 2023

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par Wende Whitman, Université de Virginie

La découverte que les joueurs de football souffraient sans le savoir de lésions cérébrales permanentes alors qu’ils accumulaient des coups à la tête tout au long de leur carrière professionnelle a créé une ruée vers la conception d’une meilleure protection de la tête. L’une de ces inventions est la nanomousse, le matériau présent à l’intérieur des casques de football.

Grâce au professeur associé en génie mécanique et aérospatial Baoxing Xu de l'Université de Virginie et à son équipe de recherche, la nanofoam vient de recevoir une importante mise à niveau et les équipements sportifs de protection pourraient également le faire. Cette conception nouvellement inventée intègre la nanomousse avec un « liquide ionisé non mouillant », une forme d'eau dont Xu et son équipe de recherche savent maintenant qu'elle se mélange parfaitement à la nanomousse pour créer un coussin liquide. Ce matériau polyvalent et réactif offrira une meilleure protection aux athlètes et est prometteur pour protéger les occupants des voitures et aider les patients hospitalisés utilisant des dispositifs médicaux portables.

Les recherches de l'équipe ont été récemment publiées dans Advanced Materials.

Pour une sécurité maximale, la mousse protectrice prise en sandwich entre les couches intérieure et extérieure d'un casque doit être capable non seulement d'encaisser un coup, mais aussi de plusieurs coups, match après match. Le matériau doit être suffisamment coussiné pour créer un endroit doux pour qu'une tête puisse atterrir, mais suffisamment résistant pour rebondir et être prêt pour le prochain coup. Et le matériau doit être résistant mais pas dur, car « dur » fait aussi mal à la tête. Avoir un seul matériau pour faire toutes ces choses est un défi de taille.

L'équipe a avancé ses travaux précédemment publiés dans les Actes de l'Académie nationale des sciences, qui ont commencé à explorer l'utilisation de liquides dans la nanofoam, pour créer un matériau répondant aux exigences complexes de sécurité des sports de contact élevé.

"Nous avons découvert que la création d'un coussin de nanomousse liquide avec de l'eau ionisée au lieu de l'eau ordinaire faisait une différence significative dans la performance du matériau", a déclaré Xu. "L'utilisation de l'eau ionisée dans la conception constitue une avancée majeure car nous avons découvert un réseau inhabituel de coordination liquide-ion qui a permis de créer un matériau plus sophistiqué."

Le coussin en nanomousse liquide permet à l'intérieur du casque de comprimer et de disperser la force d'impact, minimisant ainsi la force transmise à la tête et réduisant le risque de blessure. Il retrouve également sa forme originale après l'impact, permettant ainsi de multiples coups et garantissant l'efficacité continue du casque pour protéger la tête de l'athlète pendant le match.

"Un avantage supplémentaire", a poursuivi Xu, "est que le matériau amélioré est plus flexible et beaucoup plus confortable à porter. Le matériau répond dynamiquement aux secousses externes en raison de la manière dont les amas et les réseaux d'ions sont fabriqués dans le matériau."

"Le coussin liquide peut être conçu comme un dispositif de protection plus léger, plus petit et plus sûr", a déclaré le professeur agrégé Weiyi Lu, collaborateur du génie civil de la Michigan State University. « De plus, le poids et la taille réduits des doublures en nanomousse liquide révolutionneront la conception de la coque rigide des futurs casques. Vous pourriez un jour regarder un match de football et vous demander comment les casques plus petits protègent la tête des joueurs. de notre nouveau matériel."

Dans la nanomousse traditionnelle, le mécanisme de protection repose sur les propriétés du matériau qui réagissent lorsqu'il est écrasé ou déformé mécaniquement, telles que « l'effondrement » et la « densification ». L'effondrement est ce à quoi cela ressemble, et la densification est la déformation sévère de la mousse lors d'un fort impact. Après l'effondrement et la densification, la nanomousse traditionnelle ne se rétablit pas très bien en raison de la déformation permanente des matériaux, ce qui rend la protection ponctuelle. Par rapport à la nanomousse liquide, ces propriétés sont très lentes (quelques millisecondes) et ne peuvent pas répondre à « l'exigence de réduction de force élevée », ce qui signifie qu'elle ne peut pas absorber et dissiper efficacement les coups de force élevée dans le court laps de temps associé à collisions et impacts.