人们发现，足球运动员在职业生涯中不断遭受头部撞击，从而在不知不觉中遭受永久性脑损伤，这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，它是橄榄球头盔内部的材料。
感谢弗吉尼亚大学机械和航空航天工程副教授徐保兴及其研究团队的努力，纳米泡沫刚刚获得了重大升级，防护性运动装备也可以如此。这种新发明的设计将纳米泡沫与“非润湿离子液体”相结合，徐和他的研究团队现在知道这种水可以与纳米泡沫完美混合，形成液体垫。这种多功能且反应灵敏的材料将为运动员提供更好的保护，并有望用于保护汽车乘员和使用可穿戴医疗设备帮助医院患者。
该团队的研究最近发表在《先进材料》上。
为了获得最大的安全性，夹在头盔内层和外层之间的保护泡沫不仅能够承受一次击打，而且能够在一场又一场的比赛中承受多次击打。这种材料需要有足够的缓冲性，以便为头部着地创造一个柔软的地方，但又要有足够的弹性，能够反弹并为下一次打击做好准备。而且材料需要有弹性，但不能太硬，因为“硬”也会伤害头部。让一种材料完成所有这些事情是一个相当艰巨的任务。
该团队推进了之前发表在《美国国家科学院院刊》上的工作，该研究开始探索在纳米泡沫中使用液体，以创造一种满足高接触运动复杂安全需求的材料。
“我们发现，用离子水而不是普通水制造液体纳米泡沫垫，可以使材料的性能产生显着差异，”徐说。“在设计中使用离子水是一项突破，因为我们发现了一种不寻常的液体离子配位网络，这使得创造更复杂的材料成为可能。”
液体纳米泡沫垫可以让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量，降低受伤风险。它还在撞击后恢复其原始形状，允许多次撞击，并确保头盔在比赛期间持续有效地保护运动员的头部。
“另一个好处是，”徐继续说道，“增强材料更加灵活，佩戴起来更加舒适。由于离子簇和网络在材料中的制造方式，该材料能够动态响应外部震动。”
密歇根州立大学土木工程系的合作者 Weiyi Lu 副教授表示：“液体缓冲垫可以设计成更轻、更小、更安全的防护装置。”“此外，液体纳米泡沫衬垫重量和尺寸的减小将彻底改变未来头盔硬壳的设计。有一天，你可能在观看一场足球比赛，想知道较小的头盔如何保护球员的头部。这可能是因为我们的新材料。”
在传统的纳米泡沫中，保护机制依赖于材料在被压碎或机械变形时发生反应的特性，例如“塌陷”和“致密化”。顾名思义，塌陷是指泡沫在强烈冲击下发生的严重变形。在塌陷和致密化之后，由于材料的永久变形，传统的纳米泡沫不能很好地恢复，这使得保护成为一次性的事情。与液体纳米泡沫相比，这些特性非常缓慢（几毫秒），无法满足“高力减少要求”，这意味着它无法在短时间内有效吸收和消散高力打击碰撞和冲击。
传统纳米泡沫的另一个缺点是，当受到不会使材料变形的多次小冲击时，泡沫会变得完全“坚硬”，并且表现为无法提供保护的刚体。僵硬可能会导致软组织受伤和损坏，例如创伤性脑损伤 (TBI)。
通过操纵材料的机械性能——将纳米多孔材料与“非润湿液体”或离子水集成——该团队开发了一种方法来制造一种可以在几微秒内响应冲击的材料，因为这种组合允许超快的液体传输在纳米受限环境中。而且，在卸载时，即撞击后，由于其不润湿的性质，液体纳米泡沫垫可以由于液体从孔中喷出而恢复到其原始形状，从而承受反复的打击。这种动态顺应和重组能力还解决了材料因微冲击而变硬的问题。
同样的液体特性使这种新型纳米泡沫对于运动装备来说更加安全，也为其他发生碰撞的地方提供了潜在的用途，比如汽车，人们正在重新考虑汽车的安全和材料保护系统，以适应电力推进和自动驾驶汽车的新兴时代。它可用于制造保护垫，以吸收事故期间的冲击或帮助减少振动和噪音。
另一个可能不那么明显的用途是液体纳米泡沫在医院环境中可以发挥的作用。这种泡沫可用于智能手表等可穿戴医疗设备，用于监测心率和其他生命体征。通过采用液体纳米泡沫技术，手表的底面可以有柔软而有弹性的泡沫状材料，并通过确保与皮肤的适当接触来帮助提高传感器的准确性。它可以贴合您的手腕形状，让您全天佩戴舒适。此外，泡沫还可以作为减震器提供额外的保护。如果您不小心将手腕撞到坚硬的表面，泡沫可以帮助缓冲冲击并防止对传感器或您的皮肤造成任何伤害。