In een zoektocht om invaliderend traumatisch hersenletsel te voorkomen, stijgt nieuw schuimmateriaal naar de top

Van vallen tot voetbaltackles: de meeste slagen op het hoofd vinden plaats onder vreemde hoeken. En die schokken veroorzaken gelijktijdige lineaire en roterende hoofdbewegingen. Vooral de roterende beweging veroorzaakt schuifspanning, wat vooral schadelijk is voor de hersenen.

Een nieuw lichtgewicht schuimmateriaal zou de hersenen grotendeels of geheel kunnen ontlasten.

Het nieuwe materiaal, ontwikkeld door ingenieurs van de Universiteit van Wisconsin-Madison, kan een enorme hoeveelheid roterende kinetische energie van een impact afvoeren. En als materiaal voor de helmvoering zou het traumatisch hersenletsel kunnen verzachten of zelfs voorkomen door de kinetische rotatie-energie te verzwakken voordat deze de hersenen bereikt.

In feite is het nieuwe materiaal 30 keer beter in het absorberen van schuifspanning dan het schuim dat momenteel wordt gebruikt in Amerikaanse militaire gevechtshelmvoeringen. Het team beschreef het materiaal en zijn unieke eigenschappen in een artikel dat op 7 december 2023 in het tijdschrift werd gepubliceerd Experimentele mechanica.

“Dit materiaal is veelbelovend voor het mogelijk maken van nieuwe helmen die drastisch beter zijn in het voorkomen van hersenschudding”, zegt Ramathasan Thevamaran, een UW-Madison assistent-professor werktuigbouwkunde die het onderzoek leidde.

Waarom het werkt

Momenteel proberen sommige helmen de rotatiebeweging als gevolg van schokken te verminderen door een laag te gebruiken die een glijdende beweging mogelijk maakt tussen het hoofd van de drager en de buitenschaal van de helm. Thevamaran zegt echter dat deze bewegende lagen geen energie dissiperen als gevolg van schuifspanning; Erger nog, ze hebben de neiging vast te lopen als ze ernstig worden samengedrukt, met andere woorden, na een klap.

Omdat het niet afhankelijk is van glijdende lagen, omzeilt het nieuwe materiaal deze tekortkomingen.

Sterker nog, als het wordt samengedrukt, wordt het materiaal ongewoon beter in het opvangen van schuifkrachten en het afvoeren van energie als gevolg van een impact, zegt Thevamaran.

Deze vooruitgang bouwt voort op zijn eerdere onderzoek naar verticaal uitgelijnd koolstofnanobuisschuim, waarin zijn team de buitengewone schokabsorberende eigenschappen van het materiaal aantoonde. Het materiaal bestaat uit koolstofnanobuisjes – koolstofcilinders van slechts één atoom dik in elke laag – die zorgvuldig zijn gerangschikt in dicht opeengepakte cilinderstructuren. De nieuwe architectuur van het materiaal, die unieke structurele kenmerken heeft over meerdere lengteschalen, geeft het materiaal zijn uitzonderlijke eigenschappen.

Bovendien hebben de onderzoekers onlangs aangetoond dat hun verticaal uitgelijnde schuimen van koolstofnanobuisjes een uitstekende thermische geleidbaarheid en diffusiteit vertoonden, waardoor een helmvoering van het materiaal het hoofd van de drager koel zou kunnen houden in warme omgevingen.

In combinatie met zijn dunheid zorgt dat koelvermogen ervoor dat het nieuwe materiaal vergelijkbaar is met grafietschuimen en maakt het aantrekkelijk voor toepassingen waarbij minder gewicht belangrijk is. Naast helmvoeringen kan het materiaal ook worden gebruikt in elektronische verpakkingen en elektronische systemen om zowel te beschermen tegen schokken als om elektronica koel te houden.