La découverte que les joueurs de football contractaient sans le savoir des lésions cérébrales permanentes alors qu’ils accumulaient des coups à la tête tout au long de leur carrière professionnelle a créé une ruée vers la conception d’une meilleure protection de la tête. L’une de ces inventions est la nanomousse, le matériau à l’intérieur des casques de football.
Grâce au professeur agrégé d’ingénierie mécanique et aérospatiale Baoxing Xu de l’Université de Virginie et à son équipe de recherche, la nanomousse vient de recevoir une grande mise à niveau et les équipements sportifs de protection pourraient également l’être. 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 avec 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 récemment été publiées dans Matériaux avancés.
Pour une sécurité maximale, la mousse de protection prise en sandwich entre les couches intérieure et extérieure d’un casque ne doit pas seulement pouvoir encaisser un seul coup, mais plusieurs coups, match après match. Le matériau doit être suffisamment moelleux pour créer un endroit doux pour qu’une tête atterrisse, 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 une tâche assez difficile.
L’équipe a fait progresser ses travaux précédemment publiés dans le Actes de l’Académie nationale des sciences, qui a commencé à explorer l’utilisation de liquides dans la nanomousse, pour créer un matériau qui répond aux exigences de sécurité complexes des sports à 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 façon dont le matériau fonctionnait », a déclaré Xu. « L’utilisation d’eau ionisée dans la conception est une percée car nous avons découvert un réseau de coordination liquide-ion inhabituel qui a permis de créer un matériau plus sophistiqué. »
Le coussin en nanomousse liquide permet à l’intérieur du casque de comprimer et de disperser la force d’impact, minimisant la force transmise à la tête et réduisant le risque de blessure. Il retrouve également sa forme d’origine après l’impact, permettant de multiples coups et assurant l’efficacité continue du casque pour protéger la tête de l’athlète pendant le match.
« Un avantage supplémentaire », a poursuivi Xu, « 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 façon dont les grappes 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 à 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 regarder un match de football un jour et vous demander comment les casques plus petits protègent la tête des joueurs. C’est peut-être parce que de notre nouveau matériel. »
Dans la nanomousse traditionnelle, le mécanisme de protection repose sur les propriétés du matériau qui réagissent lorsqu’il est écrasé ou déformé mécaniquement, comme «l’effondrement» et la «densification». L’effondrement est ce que cela ressemble, et la densification est la déformation sévère de la mousse lors d’un fort impact. Après l’effondrement et la densification, la nanomousse traditionnelle ne récupère pas très bien en raison de la déformation permanente des matériaux, ce qui fait de la protection une opération ponctuelle. Par rapport à la nanomousse liquide, ces propriétés sont très lentes (quelques millisecondes) et ne peuvent pas répondre à l' »exigence de réduction de force élevée », ce qui signifie qu’elle ne peut pas absorber et dissiper efficacement les coups de force élevée dans la courte fenêtre de temps associée à collisions et chocs.
Un autre inconvénient de la nanomousse traditionnelle est que, lorsqu’elle est soumise à de multiples petits impacts qui ne déforment pas le matériau, la mousse devient complètement « dure » et se comporte comme un corps rigide qui ne peut pas fournir de protection. La rigidité pourrait potentiellement entraîner des blessures et des dommages aux tissus mous, comme une lésion cérébrale traumatique (TBI).
En manipulant les propriétés mécaniques des matériaux – en intégrant des matériaux nanoporeux avec un « liquide non mouillant » ou de l’eau ionisée – l’équipe a développé un moyen de fabriquer un matériau qui pourrait répondre aux impacts en quelques microsecondes car cette combinaison permet un transport de liquide ultra-rapide dans un environnement nanoconfiné. De plus, lors du déchargement, c’est-à-dire après des chocs, du fait de sa nature non mouillante, le coussin de nanomousse liquide peut reprendre sa forme initiale car le liquide est éjecté hors des pores, résistant ainsi aux coups répétés. Cette capacité de conformation et de reformage dynamique remédie également au problème de la rigidité du matériau à cause des micro-impacts.
Les mêmes propriétés liquides qui rendent cette nouvelle nanomousse plus sûre pour les équipements sportifs offrent également une utilisation potentielle dans d’autres endroits où des collisions se produisent, comme les voitures, dont les systèmes de sécurité et de protection des matériaux sont reconsidérés pour embrasser l’ère émergente de la propulsion électrique et des véhicules automatisés. Il peut être utilisé pour créer des coussins de protection qui absorbent les chocs lors d’accidents ou aident à réduire les vibrations et le bruit.
Un autre objectif qui pourrait ne pas être aussi évident est le rôle que la nanomousse liquide peut jouer en milieu hospitalier. La mousse peut être utilisée dans des dispositifs médicaux portables comme une montre intelligente, qui surveille votre fréquence cardiaque et d’autres signes vitaux. En incorporant la technologie de nanomousse liquide, la montre peut avoir un matériau souple et flexible semblable à de la mousse sur sa face inférieure et aider à améliorer la précision des capteurs en assurant un bon contact avec votre peau. Il peut épouser la forme de votre poignet, ce qui le rend confortable à porter toute la journée. De plus, la mousse peut fournir une protection supplémentaire en agissant comme un amortisseur. Si vous vous cognez accidentellement le poignet contre une surface dure, la mousse peut aider à amortir l’impact et à prévenir tout dommage aux capteurs ou à votre peau.
Wende Whiteman
Plus d’information:
Yuan Gao et al, Réseau de coordination eau-ion nanoconfiné pour dispositif de dissipation d’énergie flexible, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202303759