Новый материал обладает в 18 раз более высоким удельным энергопоглощением, чем пенопласт, используемый в настоящее время в подкладках боевых шлемов армии США, а также обладает гораздо большей прочностью и жесткостью, что может позволить ему обеспечить улучшенную защиту от ударов.

Физические силы от удара могут нанести травму мозгу, вызвав сотрясение мозга. Но материалы шлема, которые лучше поглощают и рассеивают эту кинетическую энергию до того, как она достигнет мозга, могут помочь смягчить или даже предотвратить сотрясения мозга и другие черепно-мозговые травмы.

Промышленный партнер исследователей, производитель шлемов Team Wendy, экспериментирует с новым материалом в прототипе вкладыша шлема, чтобы исследовать его эффективность в реальных сценариях.

"Этот новый материал обладает огромным потенциалом для поглощения энергии и, следовательно, смягчения воздействия, что, в свою очередь, должно значительно снизить вероятность черепно-мозговой травмы", - говорит Раматасан Тевамаран, профессор инженерной физики Калифорнийского университета в Мэдисоне, который руководил исследованием.

Команда подробно описала свой прогресс в исследовании, опубликованном недавно в журнале Письма об экстремальной механике.

Новый материал представляет собой архитектурно оформленную вертикально выровненную пену из углеродных нанотрубок. Чтобы создать его, исследователи начали с углеродных нанотрубок - углеродных цилиндров толщиной всего в один атом в каждом слое - в качестве основных строительных блоков.

Углеродные нанотрубки уже обладают исключительными механическими свойствами, и для дальнейшего повышения их производительности исследователи разработали материал с уникальными структурными особенностями в различных масштабах длины. Новая архитектура материала состоит из многочисленных цилиндрических структур микрометрового масштаба, каждая из которых изготовлена из множества углеродных нанотрубок.

Определение предельно оптимальных конструктивных параметров новой пены, таких как толщина цилиндров, их внутренний диаметр и зазор между соседними цилиндрами, было непростой задачей. Исследователи систематически проводили эксперименты, в которых варьировали каждый параметр и изучали все возможные комбинации.

"Итак, мы взяли несколько разных толщин, а затем протестировали их с каждым размером диаметра и всеми возможными зазорами и так далее", - говорит Тевамаран. "В общей сложности мы рассмотрели 60 различных комбинаций и провели по три теста на каждом образце, так что в это исследование было включено 180 экспериментов".

Они выявили явного победителя. Цилиндры толщиной 10 микрометров или менее, расположенные близко друг к другу, давали пену с наилучшими амортизирующими свойствами.

"Я ожидал, что общие свойства улучшатся благодаря нашей интерактивной архитектуре, но я был удивлен тем, насколько резко улучшились свойства, когда толщина цилиндров составила 10 микрометров", - говорит Тевамаран. "Это было связано с необычным эффектом размера, который возник в отношениях процесс-структура-собственность. Эффект был очень выраженным, и он оказался весьма выгодным для объектов, на которые мы ориентировались".

Кроме того, новый материал может оставаться прочно амортизирующим как при очень высоких, так и при очень низких температурах благодаря своим строительным элементам из углеродных нанотрубок, что делает его полезным для применения в широком диапазоне экстремальных условий.

Исследователи, в том числе Комал Чавла, научный сотрудник UW-Madison postdoctoral, и аспиранты Абхишек Гупта и Абхиджит С. Бхардвадж, патентовали свою инновацию через Исследовательский фонд выпускников Висконсина. Сотрудничество университета и промышленности было частью программы PANTHER, возглавляемой UW-Madison, междисциплинарной исследовательской инициативы, которая разрабатывает решения, позволяющие лучше выявлять и предотвращать черепно-мозговые травмы.

Исследование было поддержано грантами Управления военно-морских исследований США (N000142112044) и Исследовательского управления армии (W911NF2010160).