Onderzoekers hebben een nieuw lichtgewicht schuim ontwikkeld, gemaakt van koolstofnanobuisjes, dat, wanneer het als helmvoering wordt gebruikt, de kinetische energie van een impact bijna 30 keer beter absorbeert dan de voering die momenteel in Amerikaanse militaire helmen wordt gebruikt. Het schuim zou de kans op hersenschuddingen onder militairen en atleten kunnen voorkomen of sterk verminderen.
Traumatisch hersenletsel (TBI) is een van de belangrijkste oorzaken van blijvende invaliditeit en overlijden onder atleten en veteranen. Uit letselstatistieken blijkt dat de meeste traumatische hersenletsels (waarvan hersenschudding een subtype is) gepaard gaan met schuine schokken, die de hersenen blootstellen aan zowel lineaire als roterende kinetische energie en het scheuren van kwetsbaar hersenweefsel veroorzaken.
Om de effectiviteit van de helm te verbeteren, moeten helmen die door militair personeel en atleten worden gedragen een opvulmateriaal gebruiken dat beide impactkrachten beperkt. Dat is precies wat onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison proberen te doen. Om traumatisch hersenletsel door botsingen met lichaam en hoofd te voorkomen of te verzachten, hebben ze een nieuw lichtgewicht schuimmateriaal ontwikkeld dat als helmvoering kan worden gebruikt.
Ramathasan Thevamaran, corresponderend auteur van de studie, zei: "Dit materiaal toont een groot potentieel om nieuwe helmen effectiever te maken in het voorkomen van hersenschudding."
In de huidige studie bouwde Thevamaran voort op zijn eerdere onderzoek naar verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes (VACNT) - zorgvuldig gerangschikte lagen van koolstofcilinders van één atoom dik - en hun opmerkelijke schokabsorberende eigenschappen. Huidige helmen proberen de rotatiebeweging te verminderen door bij een botsing een glijdende beweging tussen het hoofd van de drager en de helm mogelijk te maken. De onderzoekers zeggen echter dat deze beweging geen energie dissipeert en vast kan komen te zitten als deze na een impact ernstig wordt samengedrukt. Hun nieuwe schuim is daarentegen niet afhankelijk van een glijlaag.
VACNT-schuim vermijdt dit nadeel door zijn unieke vervormingsmechanisme. Onder compressie ondergaan VACNT's een continue progressieve collectieve knik, toenemend van compliantie bij lage schuifspanningsniveaus tot een verstijvingsreactie bij hoge spanningsniveaus. De resulterende drukknik ontvouwt zich volledig, waardoor het VACNT-schuim grote schuifspanningen kan weerstaan en vervolgens bij het lossen terugkeert naar een vrijwel oorspronkelijke staat.
De onderzoekers ontdekten dat bij een voorcompressie van 25% de dissipatie van de schuifenergie van het schuim bijna 30 keer hoger was dan die van elastisch polyurethaanschuim met een vergelijkbare dichtheid, met schuifspanningen tot wel 50%.
"Deze eigenschappen maken VACNT-schuim zeer geschikt als opvulmateriaal voor moderne beschermende helmen, die niet alleen de normale impactkrachten dempen, maar ook de rotatiekinetische energie controleren die wordt gegenereerd door schuine impacts, waardoor traumatisch hersenletsel wordt voorkomen", aldus de onderzoekers.
Ze hebben eerder de uitstekende thermische geleidbaarheid en diffusie-eigenschappen van VACNT-schuim aangetoond, waardoor helmvoeringen gemaakt met het schuim koel blijven in warme omgevingen. Naast het gebruik in helmen kan VACNT-schuim worden gebruikt in elektronische verpakkingen en systemen om te beschermen tegen schokken en om elektronische apparaten koel te houden.
Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Experimental Mechanics.
Samengestelde bron: ScitechDaily