美国橄榄球运动员在其职业生涯中不断受到头部撞击，导致他们在不知不觉中患上永久性脑损伤，这一发现促使人们急于设计更好的头部保护装置。其中一项发明是纳米泡沫，目前美国橄榄球头盔的内部材料。

多亏了弗吉尼亚大学机械和航空航天工程副教授徐宝兴和他的研究小组，纳米泡沫刚刚得到了一个大的升级。他们新发明的设计将纳米泡沫和一种“不湿润的电离液体”结合在一起，徐和他的研究团队现在知道，水的一种形式可以与纳米泡沫完美混合，形成一种液体垫子。这种多功能和反应灵敏的材料将为运动员提供更好的保护，也有望用于保护汽车乘员和使用可穿戴医疗设备帮助医院病人。该团队在《先进材料》杂志的一篇论文中报告了他们的工作。

为了最大限度地提高安全性，夹在头盔内外层之间的保护泡沫不仅应该能够承受一次撞击，而且应该能够承受多次撞击，一场接一场。这种材料需要足够的缓冲，为头部落地创造一个柔软的地方，但又要有足够的弹性，以便弹回来，为下一次打击做好准备。这种材料需要有弹性，但不硬，因为“硬”也会伤到头部。有一种材料可以满足所有这些要求是一个相当高的要求。

这项研究推进了该团队之前在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上发表的一篇论文。在论文中，研究人员开始探索使用纳米泡沫中的液体来制造一种材料，以满足高接触运动的复杂安全要求。

徐说:“我们发现，用离子水而不是普通水来制造液体纳米泡沫垫，在材料的性能上有了显著的不同。”“在设计中使用离子水是一个突破，因为我们发现了一个不寻常的液体-离子协调网络，这使得创造更复杂的材料成为可能。”

液体纳米泡沫垫允许头盔内部压缩和分散冲击力，最大限度地减少传递到头部的力，降低受伤的风险。这个垫子也可以在撞击后恢复原来的形状，允许多次撞击，并确保头盔在比赛中继续有效地保护运动员的头部。

“一个额外的好处是，”徐继续说道，“增强的材料更灵活，穿起来更舒适。由于离子簇和网络在材料中形成的方式，这种材料对外部震动做出了动态响应。”

来自密歇根州立大学的土木工程合作伙伴、副教授陆伟一说:“这种液体垫子可以设计成更轻、更小、更安全的保护装置。”此外，液体纳米泡沫衬垫的重量和尺寸的减轻将彻底改变未来头盔硬壳的设计。你可能有一天在看足球比赛，想知道小头盔是如何保护球员的头部的。这可能是因为我们的新材料。”

传统纳米泡沫的保护作用依赖于“崩塌”和“致密化”等机制，当纳米泡沫被挤压或机械变形时，这些机制就会发挥作用。崩塌就是它听起来的样子，致密化是泡沫在强烈撞击下的严重变形。

在坍塌和致密化后，传统的纳米泡沫由于其永久变形而不能很好地恢复-使保护成为一次性交易。与液体纳米泡沫相比，这些保护机制非常缓慢(几毫秒)，无法适应“高强度降低要求”。这意味着传统的纳米泡沫不能在短时间内有效地吸收和消散与碰撞和冲击相关的高强度冲击。

传统纳米泡沫的另一个缺点是，当受到多次小的冲击而不会使材料变形时，泡沫会变得完全“硬”，并且表现为刚性体，无法提供保护。这种刚性可能会导致软组织损伤，如创伤性脑损伤(TBI)。

通过将纳米多孔材料与“非湿润液体”或离子水相结合，研究小组能够生产出一种材料，这种材料可以在几微秒内通过纳米受限环境中的超高速液体传输对撞击做出反应。这种液体纳米泡沫垫也可以在卸载后恢复到原来的形状，即在撞击后，因为液体从孔隙中喷射出来，从而使其能够承受反复的打击。这种动态调整和重整能力也解决了材料因微冲击而变硬的问题。

同样的液体特性使得这种新型纳米泡沫在运动装备上更安全，也可以在其他发生碰撞的地方使用，比如汽车，在汽车上，安全和材料保护系统正在被重新考虑，以适应新兴的电力推进和自动驾驶汽车时代。纳米泡沫可以用来制造保护垫，在事故中吸收冲击，或帮助减少振动和噪音。

它还可以用于智能手表等可穿戴医疗设备，监测你的心率和其他生命体征。通过结合液体纳米泡沫技术，手表的底部可以有柔软而灵活的泡沫状材料，通过确保与皮肤的适当接触，有助于提高传感器的准确性。它可以符合你的手腕形状，使其舒适的佩戴一整天。此外，泡沫可以作为减震器提供额外的保护。如果你不小心把手腕撞到坚硬的表面上，泡沫可以帮助缓冲冲击，防止对传感器或皮肤造成任何伤害。

原文链接：https://www.materialstoday.com/mechanical-properties/news/liquid-nanofoam-cushion-could-have-major-impact/

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