머티리얼 디자인의 획기적인 발전으로 축구 선수, 자동차 탑승자 및 병원 환자에게 도움이 될 것입니다.

Oct 25, 2023

2023년 7월 14일

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버지니아 대학교 웬데 휘트먼(Wende Whitman)

축구 선수들이 프로 경력 전반에 걸쳐 머리 타격을 가하면서 자신도 모르게 영구적인 뇌 손상을 입었다는 사실이 발견되면서 더 나은 머리 보호 장치를 설계하는 일이 촉발되었습니다. 이러한 발명품 중 하나는 축구 헬멧 내부 소재인 나노폼(nanofoam)입니다.

버지니아 대학의 기계 및 항공우주 공학 부교수인 Baoxing Xu와 그의 연구팀 덕분에 나노폼은 이제 막 큰 업그레이드를 받았으며 보호 스포츠 장비도 그렇게 될 수 있습니다. 새로 발명된 이 디자인은 나노폼을 "비습윤 이온화 액체"와 통합합니다. Xu와 그의 연구팀은 현재 나노폼과 완벽하게 혼합되어 액체 쿠션을 만드는 것으로 알고 있습니다. 다재다능하고 반응성이 뛰어난 이 소재는 운동선수에게 더 나은 보호 기능을 제공할 것이며 자동차 탑승자를 보호하고 웨어러블 의료 기기를 사용하여 병원 환자를 돕는 데 사용할 수 있을 것으로 기대됩니다.

이 팀의 연구는 최근 Advanced Materials에 게재되었습니다.

최대한의 안전을 위해 헬멧의 내부 레이어와 외부 레이어 사이에 끼워진 보호 폼은 게임마다 한 번의 타격뿐만 아니라 여러 번의 타격도 견딜 수 있어야 합니다. 소재는 머리가 착지할 수 있는 부드러운 공간을 만들 만큼 충분히 쿠션감이 있어야 하지만, 뒤로 튕겨져 다음 공격에 대비할 수 있을 만큼 탄력이 있어야 합니다. 그리고 재료는 탄력성이 있어야 하지만 단단해서는 안 됩니다. 왜냐하면 "단단함"이 머리를 아프게 하기 때문입니다. 하나의 머티리얼로 이 모든 작업을 수행하는 것은 꽤 어려운 일입니다.

이 팀은 접촉이 많은 스포츠의 복잡한 안전 요구 사항을 충족하는 재료를 만들기 위해 나노폼에 액체를 사용하는 방법을 연구하기 시작한 Proceedings of the National Academy of Sciences에 이전에 발표된 연구를 발전시켰습니다.

Xu는 "우리는 일반 물 대신 이온화된 물로 액체 나노폼 쿠션을 만드는 것이 재료의 성능에 상당한 차이를 가져온다는 것을 발견했습니다."라고 말했습니다. "디자인에 이온수를 사용하는 것은 획기적인 것입니다. 더 정교한 물질을 만들 수 있는 특이한 액체 이온 조정 네트워크를 발견했기 때문입니다."

액상 나노폼 쿠션은 헬멧 내부에서 충격력을 압축 및 분산시켜 머리에 전달되는 힘을 최소화하고 부상 위험을 줄여줍니다. 또한 충격 후에도 원래 모양을 회복하여 여러 번의 타격을 허용하고 경기 중 선수의 머리를 보호하는 헬멧의 지속적인 효과를 보장합니다.

Xu는 "추가 보너스는 향상된 소재가 더 유연하고 착용하기 훨씬 더 편안하다는 것입니다. 이 소재는 이온 클러스터와 네트워크가 소재에 제작되는 방식으로 인해 외부 충격에 동적으로 반응합니다."라고 Xu는 말했습니다.

"액체 쿠션은 더 가볍고, 더 작고, 더 안전한 보호 장치로 설계될 수 있습니다"라고 미시간 주립 대학 토목 공학과의 공동 연구원인 Weiyi Lu 부교수는 말했습니다. "또한 액체 나노폼 라이너의 감소된 무게와 크기는 미래 헬멧의 단단한 외피 디자인에 혁명을 일으킬 것입니다. 어느 날 축구 경기를 보고 더 작은 헬멧이 선수의 머리를 어떻게 보호하는지 궁금해할 수도 있습니다. 그 이유는 아마도 그럴 수 있습니다. 우리의 새로운 소재."

전통적인 나노폼의 보호 메커니즘은 "붕괴" 및 "치밀화"와 같이 부서지거나 기계적으로 변형될 때 반응하는 재료 특성에 의존합니다. 붕괴는 말 그대로이며 치밀화는 강한 충격에 따른 폼의 심각한 변형입니다. 붕괴 및 치밀화 후에는 재료의 영구 변형으로 인해 전통적인 나노폼이 잘 회복되지 않으므로 보호 기능이 일회성으로 처리됩니다. 액체 나노폼과 비교할 때 이러한 특성은 매우 느리고(몇 밀리초) "고하중 감소 요구 사항"을 수용할 수 없습니다. 충돌과 충격.