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La nueva espuma a base de nanotubos de carbono promete una protección superior contra las conmociones cerebrales

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Desarrollada por ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison, una espuma liviana que absorbe los golpes podría mejorar enormemente los cascos diseñados para proteger a las personas de los golpes fuertes.

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El investigador postdoctoral asociado Komal Chawla estudia la espuma de nanotubos de carbono alineados verticalmente en el laboratorio. Crédito de la imagen: Joel Hallberg, UW-Madison

El nuevo material exhibe una absorción de energía específica 18 veces mayor que la espuma que se usa actualmente en los revestimientos de los cascos militares de combate de EE. UU. Tiene mucha mayor resistencia y rigidez, lo que podría permitirle brindar una mejor protección contra impactos.

Las fuerzas físicas de un impacto pueden infligir un trauma en el cerebro, causando una conmoción cerebral. Pero los materiales del casco que absorben y disipan mejor esta energía cinética antes de que llegue al cerebro podrían ayudar a mitigar, o incluso prevenir, las conmociones cerebrales y otras lesiones cerebrales traumáticas.

El socio de la industria de los investigadores, el fabricante de cascos Team Wendy, está experimentando con el nuevo material en un prototipo de revestimiento de casco para investigar su desempeño en escenarios del mundo real.

“Este nuevo material tiene un tremendo potencial para la absorción de energía y, por lo tanto, la mitigación del impacto, lo que a su vez debería reducir significativamente la probabilidad de lesión cerebral”, dice Ramathasan Thevamaran, profesor de física de ingeniería de la UW-Madison que dirigió la investigación.

El equipo detalló su avance en un documento publicado recientemente en línea en la revista Extreme Mechanics Letters.

El nuevo material es una espuma de nanotubos de carbono diseñada y alineada verticalmente. Para crearlo, los investigadores comenzaron con nanotubos de carbono (cilindros de carbono de solo un átomo de espesor en cada capa) como bloques de construcción básicos.

Los nanotubos de carbono ya tienen propiedades mecánicas excepcionales y, para mejorar aún más su rendimiento, los investigadores diseñaron un material con características estructurales únicas en múltiples escalas de longitud. La arquitectura novedosa del material consta de numerosas estructuras cilíndricas a escala micrométrica, cada una hecha de muchos nanotubos de carbono.

Descubrir los parámetros de diseño óptimos definitivos de la nueva espuma, como el grosor de los cilindros, su diámetro interior y el espacio entre los cilindros adyacentes, no fue tarea fácil. Los investigadores realizaron de forma sistemática experimentos en los que variaban cada parámetro y estudiaban todas las combinaciones posibles.

“Así que tomamos algunos grosores diferentes y luego los probamos con cada tamaño de diámetro y cada espacio posible, y así sucesivamente”, dice Thevamaran. «En total, observamos 60 combinaciones diferentes y realizamos tres pruebas en cada muestra, por lo que se incluyeron 180 experimentos en este estudio».

Descubrieron un claro ganador. Cilindros con un espesor de 10 micrómetros o menos, colocados cerca unos de otros, produjeron una espuma con las mejores propiedades de absorción de impactos.

“Esperaba que las propiedades generales mejoraran debido a nuestra arquitectura interactiva, pero me sorprendió lo mucho que mejoraron las propiedades cuando los cilindros tenían un grosor de 10 micrómetros”, dice Thevamaran. “Se debió a un efecto de tamaño inusual que surgió en las relaciones proceso-estructura-propiedad. El efecto fue muy pronunciado y resultó ser bastante ventajoso para las propiedades a las que nos dirigíamos”.

Además, el nuevo material puede seguir siendo resistente a los impactos tanto a temperaturas muy altas como muy bajas debido a sus bloques de construcción de nanotubos de carbono, lo que lo hace útil para aplicaciones en una amplia gama de entornos extremos.

Los investigadores, incluido Komal Chawla, asociado de investigación postdoctoral de UW-Madison, y los estudiantes graduados Abhishek Gupta y Abhijeet S. Bhardwaj, están patentando su innovación a través de la Fundación de Investigación de Antiguos Alumnos de Wisconsin. La colaboración entre la industria y la universidad fue parte del programa PANTHER dirigido por UW-Madison, una iniciativa de investigación interdisciplinaria que está desarrollando soluciones para permitir una mejor detección y prevención de lesiones cerebrales traumáticas.

Fuente: Universidad de Wisconsin-Madison


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