材料设计领域的新突破将有助于足球运动员、汽车乘客和医院患者。

一项防护装备领域的重大突破，研究发现足球运动员在职业生涯中不知不觉中获得了重复头部冲击导致的永久性脑损伤。这一认识引发了对更好头部保护解决方案的迫切探索。其中一种创新就是纳米泡沫，这是一种存在于足球头盔内的材料。

美国弗吉尼亚大学机械与航空航天工程副教授徐宝兴及其研究团队的努力取得了突破，将纳米泡沫进行了重大改进，而且这种材料能够为防护体育设备带来巨大的潜力。这种新型设计将纳米泡沫与“非湿润离子液体”相结合，后者是一种水的形式，徐教授及其研究团队现在已经知道它与纳米泡沫完美融合，形成一种液体缓冲材料。这种多功能、反应灵敏的材料将为运动员提供更好的保护，同时也有望用于保护汽车乘客和帮助佩戴可穿戴医疗设备的医院患者。

该团队的研究最近发表在《先进材料》杂志上。

升级的纳米泡沫：进展与潜力

为了达到最佳的安全性，头盔内外两层之间夹层的保护泡沫不仅需要能够承受一次撞击，还要能够承受多次撞击，从而实现长期的使用。这种材料既需要具备足够的柔软性，让头部着地时能够舒适地“着陆”，同时还要具备足够的弹性，能够迅速恢复并准备好应对下一次撞击。并且，该材料需要充满韧性，但又不能太硬，因为“硬”也会伤害头部。要求一个材料同时具备这些特性确实是一个相当困难的任务。

与普通水相比，带有离子的水来制作液态纳米泡沫垫层在材料性能上产生了显著的差异。在设计中使用离子化水是一个突破，发现了一种非常特殊的液体离子协调网络，使得我们能够创造出一种更为精密的材料。

卓越的性能与舒适性

液态纳米泡沫垫能够在头盔内部发生压缩和分散冲击力，减少传递到头部的力量，降低受伤的风险。同时，它在冲击后可以恢复原状，允许多次受击，并确保头盔在比赛中继续保护运动员头部的效果。

额外的好处是，增强的材料更加柔软和舒适。由于离子团簇和网络的制造方式，该材料能动态地对外部冲击做出响应。

液态垫可以设计成更轻、更小、更安全的保护装置。此外，液态纳米泡沫衬垫的减轻重量和尺寸将彻底改变未来头盔硬壳的设计。你可能在某一天观看橄榄球比赛时会惊讶于这么小的头盔如何保护运动员的头部。正是因为我们的新材料。

克服传统纳米泡沫的限制

传统纳米泡沫的保护机制依赖于材料在被压缩或机械变形时产生的物理特性，如“坍塌”和“增密”。坍塌是字面意思，增密是泡沫在强冲击下的严重变形。在坍塌和增密之后，由于材料的永久变形，传统纳米泡沫的恢复能力并不理想，使得保护成为一次性的事情。与液态纳米泡沫相比，这些特性非常缓慢（几毫秒）且不能适应“高力量减缓要求”，这意味着它无法在与碰撞和冲击相关的短时间窗口内有效吸收和分散高力量的冲击。

传统纳米泡沫的另一个缺点是，在多次不使材料变形的小冲击下，泡沫会完全变得“硬”，表现为刚体，无法提供保护。这种刚性可能导致软组织受伤和损伤，如创伤性脑损伤（TBI）。

通过调控材料的力学特性——将多孔材料与“非润湿液体”或离子化水相结合，团队开发出一种能够在几微秒内对冲击做出反应的材料，因为这种组合在纳米空间内允许超快速的液体传输。此外，在卸载过程中即冲击后，由于它不润湿的特性，液态纳米泡沫垫可以恢复原状，因为液体被排出孔隙，从而承受重复的冲击。这种动态的顺应和重塑能力也解决了由于微小冲击而使材料变得刚性的问题。

液态纳米泡沫的更多应用

使新型纳米泡沫对体育装备更加安全的同样液体特性，也提供了在其他发生碰撞的地方的潜在用途，比如汽车。随着电动推进和自动驾驶汽车时代的来临，汽车的安全和材料保护系统正在重新考虑。该材料可用于制造能够在事故中吸收冲击或减少振动和噪音的保护垫。

液态纳米泡沫在医院环境中可能不太明显的作用是可以用于可穿戴医疗设备，如智能手表，用于监测心率和其他生命体征。通过结合液态纳米泡沫技术，手表可以在其底部具有柔软且灵活的泡沫状材料，并通过确保与皮肤的正确接触提高传感器的准确性。它可以适应您手腕的形状，使您整天佩戴都感到舒适。此外，泡沫还可以作为减震器提供额外的保护。如果您不小心将手腕撞到硬物表面，泡沫可以帮助缓冲冲击并防止对传感器或皮肤造成任何伤害。