Dalle cadute ai contrasti nel calcio, la maggior parte dei colpi alla testa avviene con angolazioni strane. E questi impatti innescano movimenti lineari e rotazionali simultanei della testa. Soprattutto il movimento rotatorio provoca uno sforzo di taglio, che è particolarmente dannoso per il cervello.
Un nuovo materiale in schiuma leggera potrebbe alleviare gran parte o tutto questo stress dal cervello.
Sviluppato dagli ingegneri dell’Università del Wisconsin-Madison, il nuovo materiale, una schiuma di nanotubi di carbonio allineata verticalmente, può dissipare un’enorme quantità di energia cinetica rotazionale da un impatto. Inoltre, come materiale di rivestimento del casco, potrebbe mitigare, o addirittura prevenire, lesioni cerebrali traumatiche indebolendo l'energia cinetica rotazionale prima che raggiunga il cervello.
In effetti, il nuovo materiale è 30 volte migliore nell’assorbire le sollecitazioni di taglio rispetto alla schiuma attualmente utilizzata nelle fodere dei caschi da combattimento militari statunitensi. Il team ha descritto il materiale e le sue proprietà uniche in un articolo pubblicato il 7 dicembre 2023 sulla rivista Experimental Mechanics .
"Questo materiale è molto promettente per la realizzazione di nuovi caschi che sono drasticamente migliori nel prevenire le commozioni cerebrali", afferma Ramathasan Thevamaran, un assistente professore di ingegneria meccanica della UW-Madison che ha guidato la ricerca.
Perché funziona
Attualmente, alcuni caschi tentano di ridurre il movimento rotatorio dovuto agli impatti impiegando uno strato che consente un movimento di scorrimento tra la testa di chi lo indossa e la calotta esterna del casco. Tuttavia, Thevamaran afferma che questi strati in movimento non dissipano energia dalla tensione di taglio; peggio ancora, tendono a bloccarsi quando vengono fortemente compressi, in altre parole, dopo un colpo.
Poiché non si basa su strati scorrevoli, il nuovo materiale elude queste carenze.
Ancora meglio, quando viene compresso, il materiale migliora insolitamente nell'accogliere il taglio e nel dissipare l'energia derivante da un impatto, afferma Thevamaran.
Questo progresso si basa sulla sua precedente ricerca sulle schiume di nanotubi di carbonio allineate verticalmente, in cui il suo team ha dimostrato le straordinarie capacità di assorbimento degli urti del materiale. Il materiale è costituito da nanotubi di carbonio – cilindri di carbonio spessi solo un atomo in ogni strato – che sono accuratamente disposti in strutture cilindriche fitte. La nuova architettura del materiale, che presenta caratteristiche strutturali uniche su più scale di lunghezza, conferisce al materiale le sue proprietà eccezionali.
Inoltre, i ricercatori hanno recentemente dimostrato che le loro schiume di nanotubi di carbonio allineate verticalmente mostravano un'eccezionale conduttività termica e diffusività, che consentirebbe a una fodera del casco realizzata con questo materiale di mantenere la testa fresca di chi lo indossa in ambienti caldi.
Insieme alla sua sottigliezza, la capacità di raffreddamento pone il nuovo materiale alla pari con le schiume di grafite e lo rende attraente per le applicazioni in cui è importante un peso inferiore. Oltre alle fodere dei caschi, il materiale potrebbe essere utilizzato anche negli imballaggi e nei sistemi elettronici per proteggere dagli urti e mantenere freschi i componenti elettronici.
Ulteriori informazioni: B. Maheswaran et al, Mitigare gli impatti obliqui svelando i nanotubi di carbonio con fibbia nelle fodere dei caschi, Meccanica sperimentale (2023). DOI:10.1007/s11340-023-01013-1
Fornito dall'Università del Wisconsin-Madison
