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A descoberta de que os jogadores de futebol estavam inconscientemente adquirindo danos cerebrais permanentes à medida que acumulavam golpes na cabeça ao longo de suas carreiras profissionais criou uma corrida para projetar uma melhor proteção para a cabeça. Uma dessas invenções é a nanoespuma, o material da parte interna dos capacetes de futebol.
Graças ao professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial Baoxing Xu, da Universidade da Virgínia, e sua equipe de pesquisa, a nanoespuma acaba de receber uma grande atualização e os equipamentos esportivos de proteção também. Este design recém-inventado integra nanoespuma com “líquido ionizado não umectante”, uma forma de água que Xu e sua equipe de pesquisa agora sabem que combina perfeitamente com nanoespuma para criar uma almofada líquida. Este material versátil e responsivo dará melhor proteção aos atletas e é promissor para uso na proteção de ocupantes de carros e no auxílio a pacientes hospitalares que usam dispositivos médicos vestíveis.
A pesquisa da equipe foi publicada recentemente na Materiais avançados.
Para máxima segurança, a espuma protetora entre as camadas interna e externa de um capacete deve ser capaz de suportar não apenas um golpe, mas vários golpes, jogo após jogo. O material precisa ser macio o suficiente para criar um lugar macio para a cabeça cair, mas resistente o suficiente para se recuperar e estar pronto para o próximo golpe. E o material precisa ser resistente, mas não duro, porque “duro” também machuca a cabeça. Ter um material para fazer todas essas coisas é uma tarefa bastante difícil.
A equipe avançou seu trabalho publicado anteriormente no Anais da Academia Nacional de Ciências, que começou a explorar o uso de líquidos em nanoespuma, para criar um material que atendesse às complexas demandas de segurança dos esportes de alto contato.
“Descobrimos que criar uma almofada de nanoespuma líquida com água ionizada em vez de água comum fez uma diferença significativa no desempenho do material”, disse Xu. “Usar água ionizada no projeto é um avanço porque descobrimos uma rede incomum de coordenação de íons líquidos que possibilitou a criação de um material mais sofisticado.”
A almofada de nanoespuma líquida permite que o interior do capacete comprima e disperse a força do impacto, minimizando a força transmitida à cabeça e reduzindo o risco de lesões. Ele também recupera sua forma original após o impacto, permitindo vários golpes e garantindo a eficácia contínua do capacete na proteção da cabeça do atleta durante o jogo.
“Um bônus adicional”, continuou Xu, “é que o material aprimorado é mais flexível e muito mais confortável de usar. O material responde dinamicamente a solavancos externos devido à maneira como os grupos e redes de íons são fabricados no material.”
“A almofada líquida pode ser projetada como dispositivos de proteção mais leves, menores e mais seguros”, disse o professor associado Weiyi Lu, colaborador de engenharia civil da Michigan State University. “Além disso, o peso e o tamanho reduzidos dos forros de nanoespuma líquida revolucionarão o design da casca dura dos capacetes do futuro. Você pode estar assistindo a um jogo de futebol um dia e se perguntar como os capacetes menores protegem as cabeças dos jogadores. Pode ser porque do nosso novo material.”
Na nanoespuma tradicional, o mecanismo de proteção depende das propriedades do material que reagem quando ele é triturado ou deformado mecanicamente, como “colapso” e “densificação”. Colapso é o que parece, e densificação é a deformação severa da espuma em um forte impacto. Após o colapso e a densificação, a nanoespuma tradicional não se recupera muito bem devido à deformação permanente dos materiais – tornando a proteção um negócio único. Quando comparadas com a nanoespuma líquida, essas propriedades são muito lentas (alguns milissegundos) e não podem acomodar o “requisito de redução de alta força”, o que significa que ela não pode efetivamente absorver e dissipar golpes de alta força na curta janela de tempo associada a colisões e impactos.
Outra desvantagem da nanoespuma tradicional é que, quando submetida a vários pequenos impactos que não deformam o material, a espuma torna-se completamente “dura” e se comporta como um corpo rígido que não pode oferecer proteção. A rigidez pode potencialmente levar a lesões e danos aos tecidos moles, como lesão cerebral traumática (TCE).
Ao manipular as propriedades mecânicas dos materiais – integrando materiais nanoporosos com “líquido não umectante” ou água ionizada – a equipe desenvolveu uma maneira de fazer um material que pudesse responder a impactos em poucos microssegundos porque esta combinação permite o transporte super rápido de líquidos em um ambiente nanoconfinado. Além disso, ao descarregar, ou seja, após os impactos, devido à sua natureza não molhante, a almofada de nanoespuma líquida pode retornar à sua forma original porque o líquido é ejetado pelos poros, suportando assim golpes repetidos. Essa capacidade dinâmica de conformação e reforma também soluciona o problema de o material se tornar rígido devido a micro-impactos.
As mesmas propriedades líquidas que tornam esta nova nanoespuma mais segura para equipamentos esportivos também oferecem um uso potencial em outros locais onde ocorrem colisões, como carros, cuja segurança e sistemas de proteção de materiais estão sendo reconsiderados para abraçar a era emergente de propulsão elétrica e veículos automatizados. Pode ser usado para criar almofadas protetoras que absorvem impactos durante acidentes ou ajudam a reduzir vibrações e ruídos.
Outro propósito que pode não ser tão evidente é o papel que a nanoespuma líquida pode desempenhar no ambiente hospitalar. A espuma pode ser usada em dispositivos médicos vestíveis, como um smartwatch, que monitora sua frequência cardíaca e outros sinais vitais. Ao incorporar a tecnologia de nanoespuma líquida, o relógio pode ter um material semelhante a uma espuma macia e flexível na parte inferior e ajudar a melhorar a precisão dos sensores, garantindo o contato adequado com a pele. Ele pode se adaptar ao formato do seu pulso, tornando-o confortável de usar o dia todo. Além disso, a espuma pode fornecer proteção extra ao atuar como um amortecedor. Se você acidentalmente bater o pulso contra uma superfície dura, a espuma pode ajudar a amortecer o impacto e evitar danos aos sensores ou à sua pele.
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