La technologie innovante d’amortissement liquide promet une révolution dans le domaine des équipements de sécurité

Par École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université de Virginie26 juillet 2023

Un matériau nanofoam avancé promet une protection et un confort améliorés pour les équipements de sport, avec des applications potentielles dans les systèmes de sécurité automobile et les dispositifs médicaux portables. Le matériau innovant surmonte les limites de la nanomousse traditionnelle, offrant une solution flexible et confortable capable de résister à de multiples impacts. (Concept d'artiste dramatisant le coussin de sécurité « liquide ».)

Une nouvelle avancée dans la conception des matériaux aidera les joueurs de football, les occupants des voitures et les patients hospitalisés.

Une avancée significative dans le domaine des équipements de protection a été réalisée avec la découverte que des joueurs de football souffraient, sans le savoir, de lésions cérébrales permanentes dues à des impacts répétés à la tête tout au long de leur carrière professionnelle. Cette prise de conscience a déclenché une recherche urgente de meilleures solutions de protection de la tête. Parmi ces innovations figure la nanofoam, un matériau présent à l’intérieur des casques de football.

Grâce au professeur associé en génie mécanique et aérospatial Baoxing Xu de l'Université de Virginie et à son équipe de recherche, la nanofoam vient de recevoir une importante mise à niveau et les équipements sportifs de protection pourraient également le faire. Cette conception nouvellement inventée intègre la nanomousse avec un « liquide ionisé non mouillant », une forme d’eau dont Xu et son équipe de recherche savent maintenant qu’elle se mélange parfaitement à la nanomousse pour créer un coussin liquide. Ce matériau polyvalent et réactif offrira une meilleure protection aux athlètes et est prometteur pour protéger les occupants des voitures et aider les patients hospitalisés utilisant des dispositifs médicaux portables.

Les recherches de l'équipe ont été récemment publiées dans la revue Advanced Materials.

Un diagramme illustrant la façon dont un coussin en nanomousse liquide réagit à un impact. Crédit : contribué par B. Xu

Pour une sécurité optimale, la mousse protectrice prise en sandwich entre les couches intérieure et extérieure d'un casque doit être capable non seulement d'encaisser un coup, mais aussi de plusieurs coups, match après match. Le matériau doit être suffisamment coussiné pour créer un endroit doux pour qu'une tête puisse atterrir, mais suffisamment résistant pour rebondir et être prêt pour le prochain coup. Et le matériau doit être résistant mais pas dur, car « dur » fait aussi mal à la tête. Avoir un seul matériau pour faire toutes ces choses est un défi de taille.

L'équipe a avancé ses travaux précédemment publiés dans les Actes de l'Académie nationale des sciences, qui ont commencé à explorer l'utilisation de liquides dans la nanofoam, pour créer un matériau répondant aux exigences complexes de sécurité des sports de contact élevé.

"Nous avons découvert que la création d'un coussin de nanomousse liquide avec de l'eau ionisée au lieu de l'eau ordinaire faisait une différence significative dans la performance du matériau", a déclaré Xu. "L'utilisation de l'eau ionisée dans la conception constitue une avancée majeure car nous avons découvert un réseau inhabituel de coordination liquide-ion qui a permis de créer un matériau plus sophistiqué."

Professeur agrégé Baoxing Xu au Département de génie mécanique et aérospatial de l'UVA. Crédit : Tom Cogill

Le coussin en nanomousse liquide permet à l'intérieur du casque de comprimer et de disperser la force d'impact, minimisant ainsi la force transmise à la tête et réduisant le risque de blessure. Il retrouve également sa forme originale après l'impact, permettant ainsi de multiples coups et garantissant l'efficacité continue du casque pour protéger la tête de l'athlète pendant le match.

"Un avantage supplémentaire", a poursuivi Xu, "c'est que le matériau amélioré est plus flexible et beaucoup plus confortable à porter. Le matériau répond dynamiquement aux secousses externes en raison de la manière dont les amas et les réseaux d’ions sont fabriqués dans le matériau.

"Le coussin liquide peut être conçu comme un dispositif de protection plus léger, plus petit et plus sûr", a déclaré le professeur agrégé Weiyi Lu, collaborateur du génie civil de la Michigan State University. « De plus, le poids et la taille réduits des doublures en nanomousse liquide révolutionneront la conception de la coque dure des futurs casques. Vous pourriez un jour regarder un match de football et vous demander comment les petits casques protègent la tête des joueurs. Cela pourrait être dû à notre nouveau matériel.