혁신적인 액체 쿠셔닝 기술로 안전 장비의 혁명을 약속합니다

작성자: 버지니아대학교 공학 및 응용과학대학원 2023년 7월 26일

고급 나노폼 소재는 자동차 안전 시스템 및 웨어러블 의료 기기에 잠재적으로 응용될 수 있어 스포츠 장비의 향상된 보호 및 편안함을 보장합니다. 혁신적인 소재는 기존 나노폼의 한계를 극복하여 다양한 충격을 견딜 수 있는 유연하고 편안한 솔루션을 제공합니다. ('액상' 안전쿠션을 표현한 아티스트의 컨셉입니다.)

머티리얼 디자인의 새로운 혁신은 축구 선수, 자동차 탑승자 및 병원 환자에게 도움이 될 것입니다.

축구 선수들이 프로 경력 전반에 걸쳐 반복적인 머리 충격으로 인해 자신도 모르게 영구적인 뇌 손상을 입었다는 사실이 발견되면서 보호 장비 분야에서 획기적인 발전이 이루어졌습니다. 이러한 깨달음은 더 나은 머리 보호 솔루션에 대한 긴급한 검색을 촉발시켰습니다. 이러한 혁신 중에는 축구 헬멧 내부에 사용되는 소재인 나노폼이 있습니다.

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 Materials 저널에 게재되었습니다.

액체 나노폼 쿠션이 충격에 어떻게 반응하는지 보여주는 다이어그램. 크레딧: B. Xu 제공

최적의 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 딱딱해서는 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. 왜냐하면 우리가 보다 정교한 물질을 만들 수 있게 해주는 특이한 액체 이온 조정 네트워크를 발견했기 때문입니다."

UVA 기계항공우주공학과 부교수 Baoxing Xu. 크레딧: Tom Cogill

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 계속해서 “추가 보너스는 향상된 소재가 더 유연하고 착용하기 훨씬 더 편안하다는 것입니다. 이온 클러스터와 네트워크가 재료에 제조되는 방식으로 인해 재료는 외부 충격에 동적으로 반응합니다.”

"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 쉘 디자인에 혁명을 일으킬 것입니다. 어느 날 축구 경기를 보다가 작은 헬멧이 선수들의 머리를 어떻게 보호하는지 궁금해할 수도 있습니다. 그것은 우리의 새로운 소재 때문일 수도 있습니다.”