Un nouveau matériau de casque pourrait réduire les traumatismes crâniens

En novembre 2022, l’équipe d’ingénieurs de l’Université du Wisconsin-Madison a attiré l’attention du monde entier en annonçant la création d’une matière en mousse ultra-absorbante, une innovation qui pourrait considérablement améliorer les casques protecteurs.

La matière développée par les chercheurs, une mousse architecturée à nanotubes de carbone alignés verticalement, peut absorber significativement plus d’énergie provenant d’impacts que la mousse actuellement utilisée dans les doublures de casques de combat militaires aux États-Unis. Elle présente également une résistance et une rigidité nettement supérieures.

En tant que matériau de doublure pour casque, la mousse des chercheurs recèle un immense potentiel pour aider à atténuer, voire prévenir, les commotions cérébrales et autres traumatismes crâniens, selon Ramathasan Thevamaran, professeur adjoint de génie mécanique à l’UW-Madison qui a dirigé la recherche.

Un nouveau matériau léger sans compromettre ses propriétés

À présent, Thevamaran et son équipe ont découvert une façon de réduire considérablement la densité, et donc le poids, de leur matériau en mousse – tout en conservant l’essentiel des propriétés exceptionnelles de ce matériau.

L’équipe a détaillé son progrès dans un article publié dans la revue ACS Nano.

Généralement, les matériaux à haute densité auront de meilleures propriétés mécaniques. Il est donc très difficile d’obtenir des propriétés mécaniques supérieures dans un matériau à faible densité », explique Thevamaran. « Par exemple, imaginez un morceau de métal solide. Perforer des trous dans le métal réduirait sa densité mais dégraderait aussi gravement ses propriétés.« 

Conception innovante pour des propriétés exceptionnelles

Pour réaliser cette innovation, les chercheurs ont adapté la conception de leur mousse à nanotubes de carbone alignés verticalement pour avoir des caractéristiques structurelles uniques à différentes échelles de longueur. Leur matériau présente une architecture novatrice qui se compose de structures cylindriques minces et concentriques étroitement emballées à l’échelle du micromètre, chaque cylindre étant composé de nombreux nanotubes de carbone – qui ont eux-mêmes une structure cylindrique concentrique à l’échelle du nanomètre. Ces structures confèrent au matériau ses propriétés exceptionnelles.

Dans cette nouvelle étude, l’équipe a exploré divers paramètres de conception et découvert que l’espace interne entre les cylindres concentriques joue un rôle clé dans la détermination des propriétés globales du matériau. Ils ont varié la densité du matériau en changeant l’espace interne, puis observé comment ces changements induisaient différents types de déformation du matériau lorsqu’il était comprimé.

Finalement, les chercheurs ont découvert qu’en augmentant l’espace interne, jusqu’à un certain point, cela conduisait à une meilleure rigidité structurelle à faibles densités.

En synthèse

« Dans ce travail, nous avons obtenu une mise à l’échelle linéaire souhaitable entre les propriétés et la densité dans les mousses à nanotubes de carbone alignés verticalement conçues avec notre architecture unique« , déclare Thevamaran. « Nous avons pu créer cette mise à l’échelle linéaire en ajustant l’espace entre les anneaux du cylindre concentrique. Cela nous a permis d’améliorer simultanément la capacité d’amortissement de notre matériau et l’efficacité d’absorption d’énergie tout en permettant au matériau d’être extrêmement léger.« 

Pour une meilleure compréhension

Q: Qu’est-ce qui rend ce nouveau matériau en mousse si spécial?

R: Sa conception unique, impliquant des nanotubes de carbone alignés verticalement, permet d’obtenir une grande absorption d’énergie et une rigidité supérieure tout en réduisant considérablement le poids du matériau.

Q: Comment les chercheurs ont-ils réussi à alléger le matériau tout en conservant ses propriétés?

R: Ils ont modifié l’espace interne entre les cylindres concentriques du matériau, découvrant que l’augmentation de cet espace jusqu’à un certain point conduit à une meilleure rigidité structurelle à faibles densités.

Q: Quel est l’impact potentiel de cette découverte?

R: L’utilisation de ce matériau dans les doublures de casques pourrait aider à atténuer ou même prévenir les commotions cérébrales et autres blessures traumatiques à la tête.

Les chercheurs font breveter leur technologie par l’intermédiaire de la Wisconsin Alumni Research Foundation (WARF).

Les coauteurs de l’article d’ACS Nano de l’UW-Madison sont Komal Chawla et Abhishek Gupta, premiers auteurs à contribution égale.

Cette recherche a bénéficié d’un financement de l’Office of Naval Research des États-Unis dans le cadre du programme PANTHER, un effort de recherche interdisciplinaire basé à l’UW-Madison qui vise à mieux comprendre, détecter et prévenir les lésions cérébrales traumatiques, ainsi que du soutien du programme de mécanique des solides de l’Office de recherche de l’armée des États-Unis.

Légende de l’image : Ces affichages montrent, à une échelle beaucoup plus grande, les architectures des chercheurs pour leur mousse de nanotubes de carbone alignés verticalement. L’écran de gauche illustre l’architecture des structures cylindriques concentriques minces et très serrées décrite dans l’article d’ACS Nano. Crédit : Joel Hallberg.