De meeste motorrijders koesteren hun helm als een baby. Die bescherming kan immers je leven redden. Er is nog een andere reden. Die bescherming kan hard achteruit gaan als je je helm per ongeluk laat vallen. Bij een beetje harde klap neemt de voorzichtige motorrijder het zekere voor het onzekere en schaft hij een nieuwe aan. Dat hoeft binnenkort niet meer. Wetenschappers van de Universiteit van Gent (UGent) hebben een mechanisme ontdekt waardoor schokdempend materiaal na een klap weer terug gaat naar zijn oorspronkelijke vorm.
Bij vangrails, helmen of de schokbrekers in je auto gaat het erom dat de energie kan worden opgevangen. Is de klap te groot, dan vervormt het materiaal of gaat de schokbreker stuk. De nieuwe schokdempers bestaan uit twee elementen: water en materiaal met heel kleine poriën of ‘kooien’. Dat is een zogenoemd nanoporeus materiaal. Die ‘kooien’ zijn tot honderdduizend keer kleiner zijn dan de dikte van een menselijk haar. Ze zijn waterafstotend en met elkaar verbonden.
Wanneer dit materiaal een schok opvangt, wordt de energie van de schok gebruikt om water in de waterafstotende kooien te duwen. Hoe sneller de schok optreedt, hoe meer energie het materiaal absorbeert. Na de schok vloeit het water opnieuw uit de kooien, waarna de hele absorptiecyclus opnieuw kan beginnen.
Efficiënter bij snelle schokken
Onderzoekers aan de Universiteit van Oxford namen dit nieuw mechanisme voor het eerst waar in ZIF-8, een specifiek nanoporeus materiaal. De onderzoekers van UGent onderzochten dit materiaal om te begrijpen waarom het zo efficiënt mechanische schokken kan opvangen. Het ging ok vooral om de vraag waarom het materiaal efficiënter wordt bij snellere schokken,.
Dat bleek te komen door de specifieke structuur van ZIF-8. Omdat het materiaal bestaat uit aan elkaar gekoppelde waterafstotende kooien, dringt water nooit spontaan in deze kooien binnen. Dat gebeurt pas zodra er voldoende druk op het materiaal wordt uitgeoefend. Bijvoorbeeld door een harde klap. Dan dringen de eerste watermoleculen ondanks het waterafstotend karakter van het materiaal toch de kooien binnen. Waterstofbruggen zorgen er dan voor dat de moleculen zich binnen die kooien in kleine groepjes organiseren. Zodra zo’n groepje voldoende groot wordt – vanaf een vijftal watermoleculen – wordt het veel gemakkelijker om extra watermoleculen in de kooien te laten binnendringen. Tot ze uiteindelijk het volledige materiaal vullen.
Dit proces neemt wel wat tijd in beslag. Als de klap tegen het materiaal te snel gaat, dan is er dus onvoldoende tijd om zulke groepjes te vormen. Dat betekent dat er nóg meer energie van de mechanische schok nodig is om het water in de kooien te laten binnendringen. Dit verklaart de hogere efficiëntie van de materialen bij snellere impacts.
Nieuwe materialen voor schokdempers
Op basis van simulaties leidden de onderzoekers een aantal ontwerpregels af om schokdempers te ontwikkelen die volgens bovenstaand mechanisme werken. De belangrijkste regel is dat zulke materialen moeten bestaan uit waterafstotende kooien, zodat water niet spontaan naar binnen treedt. Die kooien moeten met elkaar verbonden zijn via openingen die voldoende groot zijn zodat watermoleculen van de ene naar de andere kooi kunnen bewegen. Hoe groter de kooien, hoe meer water er uiteindelijk kan binnendringen, en hoe beter ze dus de schok kunnen opvangen.
“Op basis van deze ontwerpregels ontdekten we een twintigtal materialen die momenteel nog niet gebruikt worden als schokdemper, maar daarvoor eigenlijk wel uitermate geschikt zouden zijn. Sommige van die materialen worden nu ook effectief experimenteel getest, met zeer positieve resultaten”, aldus Aran Lamaire van UGent.
Ook interessant: Realtime communicatie vanuit de fietser kan ernstige verkeersongevallen met auto’s verminderen
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
