隨著人們發現足球運動員在其職業生涯中由於頭部反复受到撞擊而在不知不覺中造成永久性腦損傷，防護裝備領域取得了重大突破。這一發現引發了人們對更好的頭部防護解決方案的迫切需求。在這些創新中，納米泡沫是足球頭盔內的一種材料。

在弗吉尼亞大學機械與航空航天工程系副教授Baoxing Xu和他的研究團隊的努力下，納米泡沫剛剛得到了重大升級，防護運動器材也可以得到升級。這種新發明的設計將納米泡沫與”非潤濕離子液體”融為一體，徐寶星和他的研究團隊現在知道，這種形式的水能與納米泡沫完美融合，形成液體緩衝。這種用途廣泛、反應靈敏的材料將為運動員提供更好的保護，並有望用於保護汽車乘員和幫助使用可穿戴醫療設備的醫院病人。

該團隊的研究成果最近發表在《先進材料》雜誌上。

液態納米泡沫緩衝墊如何應對沖擊的示意圖。資料來源：Baoxing Xu 供稿

為了達到最佳安全效果，夾在頭盔內外層之間的防護泡沫不僅要能承受一次撞擊，還要能承受多次撞擊，而且要能承受一場又一場的比賽。這種材料既要有足夠的緩衝性，為頭部著地創造一個柔軟的空間，又要有足夠的彈性，能夠反彈並準備好迎接下一次撞擊。材料需要有彈性，但不能太硬，因為”硬”也會傷害頭部。讓一種材料做到所有這些是一項相當高的要求。

該團隊推進了之前發表在《美國國家科學院院刊》上的工作，開始探索在納米泡沫中使用液體，以創造一種能滿足高接觸運動複雜安全要求的材料。

Xu說：”我們發現，用離子水而不是普通水製造液體納米泡沫墊，會使材料的性能產生顯著差異。在設計中使用離子水是一項突破，因為我們發現了一種不尋常的液態離子配位網絡，從而有可能創造出一種更複雜的材料。”

弗吉尼亞大學機械與航空航天工程系副教授Baoxing Xu。圖片來源：Tom Cogill

液態納米泡沫襯墊可使頭盔內部壓縮並分散衝擊力，從而最大限度地減少傳遞到頭部的力，降低受傷風險。它還能在撞擊後恢復原狀，允許多次撞擊，確保頭盔在比賽中持續有效地保護運動員的頭部。此外，增強型材料更具柔韌性，佩戴更加舒適。由於離子群和網絡在材料中的製造方式，這種材料能對外界的顛簸做出動態響應。液體緩衝器可以設計成更輕、更小、更安全的保護裝置，液態納米泡沫襯墊重量和體積的減小將徹底改變未來頭盔硬殼的設計。

在傳統納米泡沫中，保護機制依賴於材料在受到擠壓或機械變形時的反應特性，如”塌陷”和”緻密化”。塌陷聽起來就像它的名字一樣，而緻密化則是泡沫在受到強烈撞擊時的嚴重變形。在塌陷和緻密化之後，傳統的納米泡沫由於材料的永久變形而不能很好地恢復，因此保護作用只能是一次性的。與液態納米泡沫相比，這些特性非常緩慢（幾毫秒），無法滿足”減少高力要求”，即無法在碰撞和衝擊的短時間內有效吸收和消散高力衝擊。

傳統納米泡沫的另一個缺點是，當受到多次不會使材料變形的小撞擊時，泡沫會變得完全”堅硬”，表現為無法提供保護的剛性體。這種剛性有可能導致軟組織受傷和損壞，如創傷性腦損傷（TBI）。

通過操縱材料的機械特性–將納米多孔材料與”非潤濕液體”或離子水相結合–研究小組開發出一種方法，製造出一種能在幾微秒內對撞擊做出反應的材料，因為這種組合能在納米封閉環境中實現超快的液體傳輸。此外，在卸載時，即受到衝擊後，由於其不濕潤的特性，液體納米泡沫墊可以恢復到原來的形態，因為液體會從孔隙中噴射出來，從而經受住反复的衝擊。這種動態保形和重塑能力還能解決材料因微小衝擊而變得僵硬的問題。

這種新型納米泡沫材料的液態特性使其在運動裝備中的應用更加安全，同樣也可用於其他發生碰撞的場所，例如汽車，汽車的安全和材料保護系統正在重新考慮，以適應新興的電動推進和自動駕駛汽車時代。它可以用來製造保護墊，在事故中吸收衝擊力，或幫助減少震動和噪音。

另一個可能不那麼明顯的用途是液體納米泡沫在醫院環境中可以發揮的作用。這種泡沫可用於監測心率和其他生命體徵的智能手錶等可穿戴醫療設備。通過採用液態納米泡沫技術，手錶底部可以有一種柔軟而有彈性的泡沫狀材料，通過確保與皮膚的適當接觸來幫助提高傳感器的準確性。它可以貼合手腕的形狀，佩戴一整天都很舒適。此外，泡沫還能起到減震的作用，提供額外的保護。如果您不小心將手腕撞到堅硬的表面，泡沫可以幫助緩沖沖擊力，防止對傳感器或皮膚造成傷害。