De quedas a ataques de futebol, a maioria dos golpes na cabeça ocorre em ângulos estranhos. E esses impactos desencadeiam movimentos simultâneos lineares e rotacionais da cabeça. O movimento rotativo, em particular, causa tensão de cisalhamento, que é especialmente prejudicial ao cérebro.

Um novo material de espuma leve poderia aliviar a maior parte ou toda a tensão do cérebro.

Desenvolvido por engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison, o novo material – uma espuma de nanotubos de carbono alinhado verticalmente – pode dissipar uma enorme quantidade de energia cinética rotacional de um impacto. E como material de revestimento de capacete, poderia mitigar, ou mesmo prevenir, lesões cerebrais traumáticas, enfraquecendo a energia cinética rotacional antes de atingir o cérebro.

Na verdade, o novo material é 30 vezes melhor na absorção de tensões de cisalhamento do que a espuma atualmente usada nos forros dos capacetes de combate militares dos EUA. A equipe descreveu o material e suas propriedades únicas em um artigo publicado em 7 de dezembro de 2023 na revista Experimental Mechanics. .

"Este material mostra-se muito promissor para permitir novos capacetes que são drasticamente melhores na prevenção de concussões", diz Ramathasan Thevamaran, professor assistente de engenharia mecânica da UW-Madison que liderou a pesquisa.

Por que funciona

Atualmente, alguns capacetes tentam reduzir o movimento rotacional causado por impactos, empregando uma camada que permite que ocorra um movimento de deslizamento entre a cabeça do usuário e a camada externa do capacete. No entanto, Thevamaran diz que essas camadas móveis não dissipam energia da tensão de cisalhamento; pior ainda, eles tendem a emperrar quando são severamente comprimidos – em outras palavras, após um golpe.

Como não depende de camadas deslizantes, o novo material contorna essas deficiências.

Melhor ainda, quando é comprimido, o material fica extraordinariamente melhor em acomodar o cisalhamento e dissipar a energia de um impacto, diz Thevamaran.

Este avanço baseia-se em sua pesquisa anterior sobre espumas de nanotubos de carbono alinhadas verticalmente, nas quais sua equipe demonstrou as extraordinárias capacidades de absorção de choque do material. O material consiste em nanotubos de carbono – cilindros de carbono com apenas um átomo de espessura em cada camada – que são cuidadosamente organizados em estruturas cilíndricas compactadas. A nova arquitetura do material, que possui características estruturais únicas em múltiplas escalas de comprimento, confere ao material suas propriedades excepcionais.

Além disso, os pesquisadores demonstraram recentemente que suas espumas de nanotubos de carbono alinhadas verticalmente exibiam excelente condutividade térmica e difusividade, o que permitiria que um forro de capacete feito desse material mantivesse a cabeça do usuário fria em ambientes quentes.

Juntamente com a sua espessura, essa capacidade de resfriamento coloca o novo material no mesmo nível das espumas de grafite e o torna atraente para aplicações onde menos peso é importante. Além dos forros dos capacetes, o material também pode ser usado em embalagens eletrônicas e sistemas eletrônicos para proteger contra choques e manter os eletrônicos resfriados.

Mais informações: B. Maheswaran et al, Mitigating Oblique Impacts by Unraveling of Buckled Carbon Nanotubes in Helmet Liners, Mecânica Experimental (2023). DOI:10.1007/s11340-023-01013-1
Fornecido pela Universidade de Wisconsin-Madison