革新的な液体クッション技術が安全装備の革命を約束

バージニア大学工学応用科学部 2023 年 7 月 26 日

先進的なナノフォーム素材は、スポーツ用品の保護と快適性の向上を約束し、自動車の安全システムやウェアラブル医療機器への応用が期待できます。 革新的な素材は従来のナノフォームの限界を克服し、複数の衝撃に耐えることができる柔軟で快適なソリューションを提供します。 （「液体」安全クッションをドラマチックに表現したアーティストのコンセプト）

材料設計における新たな進歩は、サッカー選手、車の乗員、入院患者を助けるでしょう。

サッカー選手がプロとしてのキャリアを通じて、無意識のうちに繰り返し頭部に衝撃を受けて永続的な脳損傷を受けていたことが発見され、保護具の分野で大きな進歩がもたらされました。 この認識により、より優れた頭部保護ソリューションが緊急に模索されるようになりました。 これらのイノベーションの中には、フットボールのヘルメット内部に使用される素材であるナノフォームがあります。

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、ナノフォームを「非湿潤性イオン化液体」と統合するもので、Xu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。

液体ナノフォームクッションが衝撃にどのように反応するかを示す図。 クレジット: B. Xu による寄稿

最適な安全性を実現するには、ヘルメットの内層と外層の間に挟まれた保護フォームが、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。」

UVA 機械航空宇宙工学科の Baoxing Xu 准教授。 クレジット: トム・コギル

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。

「追加のボーナスは、強化された素材がより柔軟で、着用がはるかに快適であることです」と Xu 氏は続けました。 材料内にイオンクラスターとネットワークが構築される方法により、材料は外部の衝撃に動的に反応します。」

「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ます」と、ミシガン州立大学の土木工学の共同研究者である准教授 Weiyi Lu 氏は述べています。 「また、液体ナノフォームライナーの軽量化とサイズダウンは、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しているのか疑問に思うかもしれません。 それは私たちの新しい素材のせいかもしれません。」