El descubrimiento de que los jugadores de fútbol sin saberlo estaban adquiriendo daño cerebral permanente a medida que acumulaban golpes en la cabeza a lo largo de sus carreras profesionales creó una carrera para diseñar una mejor protección para la cabeza. Uno de estos inventos es la nanoespuma, el material del interior de los cascos de fútbol americano.
Gracias al profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial Baoxing Xu de la Universidad de Virginia y su equipo de investigación, la nanoespuma acaba de recibir una gran mejora y los equipos deportivos de protección también podrían recibirla. Este diseño recién inventado integra nanoespuma con «líquido ionizado no humectante», una forma de agua que Xu y su equipo de investigación ahora saben que se combina perfectamente con nanoespuma para crear un colchón líquido. Este material versátil y receptivo brindará una mejor protección a los atletas y promete su uso para proteger a los ocupantes de automóviles y ayudar a los pacientes de hospitales que usan dispositivos médicos portátiles.
La investigación del equipo se publicó recientemente en Materiales avanzados.
Para una máxima seguridad, la espuma protectora intercalada entre las capas interior y exterior de un casco no solo debe poder recibir un golpe, sino múltiples golpes, juego tras juego. El material debe ser lo suficientemente acolchado para crear un lugar suave para que la cabeza aterrice, pero lo suficientemente resistente para recuperarse y estar listo para el siguiente golpe. Y el material debe ser resistente pero no duro, porque lo «duro» también daña la cabeza. Tener un material para hacer todas estas cosas es una tarea bastante difícil.
El equipo avanzó su trabajo previamente publicado en el Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, que comenzó a explorar el uso de líquidos en nanoespuma, para crear un material que cumpla con las complejas demandas de seguridad de los deportes de alto contacto.
«Descubrimos que la creación de un cojín de nanoespuma líquida con agua ionizada en lugar de agua normal marcó una diferencia significativa en el rendimiento del material», dijo Xu. «Usar agua ionizada en el diseño es un gran avance porque descubrimos una red de coordinación de iones líquidos inusual que hizo posible crear un material más sofisticado».
El cojín de nanoespuma líquida permite que el interior del casco se comprima y disperse la fuerza del impacto, minimizando la fuerza transmitida a la cabeza y reduciendo el riesgo de lesiones. También recupera su forma original después del impacto, lo que permite múltiples golpes y garantiza la eficacia continua del casco para proteger la cabeza del atleta durante el juego.
«Una ventaja adicional», continuó Xu, «es que el material mejorado es más flexible y mucho más cómodo de usar. El material responde dinámicamente a las sacudidas externas debido a la forma en que se fabrican los grupos de iones y las redes en el material».
«El colchón líquido se puede diseñar como dispositivos de protección más livianos, pequeños y seguros», dijo el profesor asociado Weiyi Lu, colaborador de ingeniería civil en la Universidad Estatal de Michigan. «Además, el peso y el tamaño reducidos de los revestimientos de nanoespuma líquida revolucionarán el diseño de la cubierta dura de los futuros cascos. Podría estar viendo un partido de fútbol un día y preguntarse cómo los cascos más pequeños protegen las cabezas de los jugadores. Podría ser porque de nuestro nuevo material».
En la nanoespuma tradicional, el mecanismo de protección se basa en las propiedades del material que reaccionan cuando se tritura o se deforma mecánicamente, como el «colapso» y la «densificación». El colapso es lo que parece, y la densificación es la deformación severa de la espuma en un fuerte impacto. Después del colapso y la densificación, la nanoespuma tradicional no se recupera muy bien debido a la deformación permanente de los materiales, lo que hace que la protección sea un trato único. En comparación con la nanoespuma líquida, estas propiedades son muy lentas (unos pocos milisegundos) y no pueden adaptarse al «requisito de reducción de fuerza alta», lo que significa que no puede absorber y disipar de manera efectiva los golpes de fuerza alta en el corto período de tiempo asociado con colisiones e impactos.
Otra desventaja de la nanoespuma tradicional es que, cuando se somete a múltiples impactos pequeños que no deforman el material, la espuma se vuelve completamente «dura» y se comporta como un cuerpo rígido que no puede brindar protección. La rigidez podría provocar lesiones y daños en los tejidos blandos, como una lesión cerebral traumática (TBI).
Al manipular las propiedades mecánicas de los materiales, integrando materiales nanoporosos con «líquido no humectante» o agua ionizada, el equipo desarrolló una forma de hacer un material que pudiera responder a los impactos en unos pocos microsegundos porque esta combinación permite el transporte de líquidos ultrarrápido en un entorno nanoconfinado. Además, al descargar, es decir, después de los impactos, debido a su carácter no humectante, el cojín de nanoespuma líquida puede volver a su forma original porque el líquido es expulsado por los poros, soportando así repetidos golpes. Esta capacidad dinámica de conformado y reformado también soluciona el problema de que el material se vuelva rígido debido a los microimpactos.
Las mismas propiedades líquidas que hacen que esta nueva nanoespuma sea más segura para el equipo deportivo también ofrecen un uso potencial en otros lugares donde ocurren colisiones, como los automóviles, cuyos sistemas de protección de materiales y seguridad se están reconsiderando para adoptar la era emergente de la propulsión eléctrica y los vehículos automatizados. Se puede utilizar para crear cojines protectores que absorban los impactos durante los accidentes o ayuden a reducir las vibraciones y el ruido.
Otro propósito que podría no ser tan evidente es el papel que puede desempeñar la nanoespuma líquida en el entorno hospitalario. La espuma se puede usar en dispositivos médicos portátiles, como un reloj inteligente, que controla la frecuencia cardíaca y otros signos vitales. Al incorporar la tecnología de nanoespuma líquida, el reloj puede tener un material similar a la espuma suave y flexible en la parte inferior y ayudar a mejorar la precisión de los sensores al garantizar un contacto adecuado con la piel. Puede adaptarse a la forma de su muñeca, lo que lo hace cómodo para usar todo el día. Además, la espuma puede brindar protección adicional al actuar como un amortiguador. Si accidentalmente golpea su muñeca contra una superficie dura, la espuma puede ayudar a amortiguar el impacto y evitar cualquier daño a los sensores oa su piel.
