Nieuw schuim op basis van koolstofnanobuizen belooft superieure bescherming tegen hersenschudding

Ontwikkeld door ingenieurs van de Universiteit van Wisconsin-Madison, zou een lichtgewicht, ultraschokabsorberend schuim helmen die zijn ontworpen om mensen te beschermen tegen harde slagen enorm kunnen verbeteren.

Het nieuwe materiaal vertoont 18 keer hogere specifieke energieabsorptie dan het schuim dat momenteel wordt gebruikt in Amerikaanse militaire gevechtshelmvoeringen, en heeft ook een veel grotere sterkte en stijfheid, waardoor het een betere bescherming tegen stoten zou kunnen bieden.

Fysieke krachten van een impact kunnen trauma in de hersenen veroorzaken, waardoor een hersenschudding ontstaat. Maar helmmaterialen die deze kinetische energie beter kunnen absorberen en afvoeren voordat deze de hersenen bereikt, kunnen hersenschuddingen en ander traumatisch hersenletsel helpen verminderen of zelfs voorkomen.

De industriële partner van de onderzoekers, helmfabrikant Team Wendy, experimenteert met het nieuwe materiaal in een prototype van een helmvoering om de prestaties ervan in realistische scenario’s te onderzoeken.

“Dit nieuwe materiaal heeft een enorm potentieel voor energieabsorptie en dus impactbeperking, wat op zijn beurt de kans op hersenletsel aanzienlijk zou moeten verminderen”, zegt Ramathasan Thevamaran, een UW-Madison professor technische fysica die het onderzoek leidde.

Het team detailleerde zijn opmars in een studie die onlangs is gepubliceerd in het journaal Brieven over extreme mechanica.

Het nieuwe materiaal is een architectonisch, verticaal uitgelijnd schuim van koolstofnanobuisjes. Om het te maken, begonnen de onderzoekers met koolstofnanobuisjes – koolstofcilinders van slechts één atoom dik in elke laag – als basisbouwstenen.

Koolstofnanobuisjes hebben al uitzonderlijke mechanische eigenschappen en om hun prestaties verder te verbeteren, hebben de onderzoekers een materiaal ontworpen met unieke structurele kenmerken over meerdere lengteschalen. De nieuwe architectuur van het materiaal bestaat uit talloze cilinderstructuren op micrometerschaal, elk gemaakt van vele koolstofnanobuisjes.

Het was geen gemakkelijke taak om de ultieme optimale ontwerpparameters van het nieuwe schuim te ontdekken, zoals de dikte van de cilinders, hun binnendiameter en de opening tussen aangrenzende cilinders. De onderzoekers voerden systematisch experimenten uit waarbij ze elke parameter varieerden en alle mogelijke combinaties bestudeerden.

“Dus namen we een paar verschillende diktes en testten dat vervolgens met elke diameter en elke mogelijke opening, enzovoort”, zegt Thevamaran. “In totaal hebben we naar 60 verschillende combinaties gekeken en drie tests uitgevoerd op elk monster, dus 180 experimenten gingen in dit onderzoek.”

Ze ontdekten een duidelijke winnaar. Cilinders met een dikte van 10 micrometer of minder, dicht bij elkaar geplaatst, produceerden een schuim met de beste schokabsorberende eigenschappen.

“Ik verwachtte dat de algehele eigenschappen zouden verbeteren dankzij onze interactieve architectuur, maar ik was verrast door hoe dramatisch de eigenschappen verbeterden toen de cilinders 10 micrometer dik waren”, zegt Thevamaran. “Het was te wijten aan een ongebruikelijk grootte-effect dat naar voren kwam in de proces-structuur-eigenschapsrelaties. Het effect was zeer uitgesproken en het bleek behoorlijk voordelig te zijn voor de eigenschappen waarop we ons richtten.”

Bovendien kan het nieuwe materiaal dankzij de bouwstenen van koolstofnanobuisjes robuust schokabsorberend blijven bij zowel zeer hoge als zeer lage temperaturen, waardoor het bruikbaar is voor toepassingen in een groot aantal extreme omgevingen.

De onderzoekers, waaronder Komal Chawla, UW-Madison postdoctoraal onderzoeksmedewerker, en afgestudeerde studenten Abhishek Gupta en Abhijeet S. Bhardwaj, patenteren hun innovatie via de Wisconsin Alumni Research Foundation. De samenwerking tussen de universiteit en de industrie maakte deel uit van het door UW-Madison geleide PANTHER-programma, een interdisciplinair onderzoeksinitiatief dat oplossingen ontwikkelt om traumatisch hersenletsel beter te kunnen opsporen en voorkomen.