Belastungen in Kunststoffen und Bauteilen sichtbar machen

Forschungsteam unter Federführung der TU Chemnitz entwickelt Farbstoffe, die Spannungen und deren Stärke in Kunststoffen und Bauteilen kontinuierlich durch Farbänderung anzeigen

05.08.2021 - Deutschland

Einem Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Michael Sommer, Inhaber der Professur Polymerchemie der Technischen Universität Chemnitz und PD Dr. Michael Walter, Projektleiter am Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, ist es gelungen, ein neues Farbstoffmolekül aus dem Bereich sogenannter „Mechanophore“ zu konstruieren.

Dank dieses Moleküls können Bauteilspannungen je nach Stärke stufenlos durch Farbänderungen angezeigt werden. Das Konzept solcher Farbstoffe ist nicht neu, allerdings konnten bisherige Mechanophore meist nur die An- oder Abwesenheit von Spannungen in Kunststoffen anzeigen. Durch die aktuelle Forschung kommt nun noch die Dimension der tatsächlichen Stärke der Spannung hinzu. Das bringt große Vorteile überall dort, wo es wichtig ist, jederzeit einen Überblick über die Belastung und damit auch die Integrität des Materials zu haben. Diese effektive Form von Schadensanalytik zu entwickeln und zur praktischen Anwendung zu bringen, ist das Forschungsteam nun einen Schritt nähergekommen.

Die Ergebnisse der Untersuchung sind in „Nature Communications“ erschienen.

Molekulare „Feder“ zeigt farblich die Stärke der Belastung

Wie die Forscherinnen und Forscher in ihre Veröffentlichung berichten, können durch die Kombination eines molekular designten Farbstoffes mit einem geeigneten und vor allem nicht-spröden Kunststoffes makroskopische Kräfte nun auf die molekulare Skala übertragen werden. Diese einwirkenden Kräfte können zum Beispiel äußerer Druck oder Zug sein.

Das Farbstoffmolekül „fühlt“ damit die Kraft, die innerhalb des Kunststoffes wirkt, und zeigt weiterhin Kraftänderungen durch Änderungen der Farbigkeit an. Nimmt die Kraft auf den Kunststoff ab, geht das Farbstoffmolekül wieder in seinen Ausgangszustand zurück. Daher wird dieser Farbstoff auch als „molekulare Feder“ bezeichnet – sie dehnt sich und „springt“ danach wieder in den Ursprungszustand.
Im Vergleich zu bereits existierenden molekularen Schaltern, die Kräfte in Kunststoffen durch Farbänderung anzeigen können, liegen die Vorteile hier klar auf der stufenlosen Abbildung von verschieden großen Kräften sowie des Feder-artigen Verhaltens des Moleküls, das damit immer wieder eingesetzt werden kann.

Bessere mechanische Eigenschaften – Dämpfung besser verstehen und anwenden

„Dies ist ein großer Schritt in Richtung der direkten Sichtbarmachung von externen Spannungen und Eigenspannungen von Kunststoffen mit einfacher Analytik, was für die weitere Entwicklung von Materialien mit verbesserten mechanischen Eigenschaften oder im Bereich des 3D-Drucks von großem Nutzen sein kann“, fasst Prof. Dr. Michael Sommer zusammen.

Aber auch das Verständnis von Dämpfungseigenschaften spezieller Materialien und auch natürlicher Systeme könnte damit leichter erforscht werden: So gibt es große und schwere Früchte, die aus großer Höhe von Bäumen fallen, jedoch den Fall unbeschädigt überstehen. Die Natur dient hier als Vorbild und molekulare Federn könnten helfen solche Systeme besser zu verstehen und zu imitieren.

Zukünftige Anstrengungen werden sich daher darauf konzentrieren, die molekularen Kraftfedern für die Anwendung in verschiedenen Kunststoffen anzupassen. Dies wird die Kooperation mit anderen Arbeitsgruppen und die Zuhilfenahme von Computer-gestützten Methoden erfordern.