Från fall till fotbollstacklingar sker de flesta slag mot huvudet i udda vinklar. Och dessa effekter utlöser samtidiga linjära och roterande huvudrörelser. Särskilt den roterande rörelsen orsakar skjuvbelastning, vilket är särskilt skadligt för hjärnan.
Ett nytt lätt skummaterial skulle kunna ta bort det mesta eller hela påfrestningen från hjärnan.
Utvecklat av University of Wisconsin-Madison ingenjörer, det nya materialet - ett vertikalt inriktat kolnanorörskum - kan avleda en enorm mängd rotationskinetisk energi från en stöt. Och som ett hjälmfodermaterial kan det lindra, eller till och med förhindra, traumatiska hjärnskador genom att försvaga den rotationskinetiska energin innan den når hjärnan.
Faktum är att det nya materialet är 30 gånger bättre på att absorbera skjuvpåkänning än det skum som för närvarande används i amerikanska militära stridshjälmliners. Teamet beskrev materialet och dess unika egenskaper i en artikel publicerad 7 december 2023 i tidskriften Experimental Mechanics .
"Det här materialet visar mycket lovande för att möjliggöra nya hjälmar som är drastiskt bättre på att förebygga hjärnskakning", säger Ramathasan Thevamaran, en UW–Madison biträdande professor i maskinteknik som ledde forskningen.
Varför det fungerar
För närvarande försöker vissa hjälmar att minska rotationsrörelsen från stötar genom att använda ett lager som tillåter en glidande rörelse mellan bärarens huvud och hjälmens yttre skal. Thevamaran säger dock att dessa rörliga skikt inte avleder energi från skjuvpåkänning; ännu värre, de tenderar att fastna när de är kraftigt komprimerade – med andra ord efter ett slag.
Eftersom det inte förlitar sig på glidande lager, kringgår det nya materialet dessa brister.
Ännu bättre, när det är komprimerat, blir materialet ovanligt bättre på att ta emot skjuvning och avleda energi från en stöt, säger Thevamaran.
Detta framsteg bygger på hans tidigare forskning om vertikalt riktade kolnanorörsskum, där hans team demonstrerade materialets extraordinära stötdämpande förmåga. Materialet består av kolnanorör - kolcylindrar bara en atom tjocka i varje lager - som är noggrant arrangerade i tätt packade cylinderstrukturer. Materialets nya arkitektur, som har unika strukturella egenskaper över flera längdskalor, ger materialet dess exceptionella egenskaper.
Dessutom visade forskarna nyligen att deras vertikalt inriktade kolnanorörsskum uppvisade enastående värmeledningsförmåga och diffusivitet, vilket skulle göra det möjligt för en hjälmliner tillverkad av materialet att hålla bärarens huvud kallt i varma miljöer.
Tillsammans med dess tunnhet sätter denna kylförmåga det nya materialet i paritet med grafitskum och gör det attraktivt för applikationer där mindre vikt är viktigt. Utöver hjälmfoder kan materialet även användas i elektroniska förpackningar och elektroniska system för att både skydda mot stötar och hålla elektroniken sval.
Mer information: B. Maheswaran et al, Mitigating Oblique Impacts by Unraveling of Buckled Carbon Nanotubes in Helmet Liners, Experimental Mechanics (2023). DOI:10.1007/s11340-023-01013-1
Tillhandahålls av University of Wisconsin-Madison
