Farbwechselnde Farbstoffe visualisieren Stress in Kunststoffen

Ein Forschungsteam konstruierte ein neues Farbstoffmolekül aus dem Bereich der Mechanophore. Dank dieses Moleküls können unterschiedlich starke Belastungen in Kunststoffbauteilen kontinuierlich durch Farbveränderungen visualisiert werden.

Das Konzept solcher Farbstoffe ist nicht neu, aber die meisten früheren Mechanophore konnten nur das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Spannungen in Kunststoffen anzeigen. Das neue Molekül ermöglicht die Differenzierung unterschiedlich starker Belastungen. Dies ist wichtig, um Spannungsverteilungen in makroskopischen Kunststoffkomponenten abzubilden, um die Unversehrtheit des Materials jederzeit zu überwachen. Das Team entwickelt diese Form der Deformations- und Schadensanalyse weiter und bringt sie der Praxis näher.

Durch die Kombination eines molekular entworfenen Farbstoffs mit einem geeigneten und nicht spröden Kunststoff können nun makroskopische Kräfte auf die molekulare Ebene gebracht werden. Diese einwirkenden Kräfte können beispielsweise äußerer Druck oder Zug sein. Das Farbstoffmolekül „fühlt“ also die Kraft, die innerhalb der Kunststoffkomponenten wirkt, und zeigt Kraftänderungen weiterhin durch zunehmende Farbänderungen an. Wird die äußere Belastung weggenommen, kehrt das Farbstoffmolekül in seinen ursprünglichen Zustand zurück – eine molekulare Feder, die sich je nach äußerer Spannung dehnt und federt.

Im Vergleich zu bestehenden molekularen Schaltern, die Spannungen in Kunststoffen durch Farbwechsel übersetzen, liegen die Vorteile der neuen Technologie in der stufenlosen Abbildung von Kräften unterschiedlicher Größe sowie dem federartigen Verhalten des Moleküls, das immer wieder verwendet werden kann.

Die Technologie könnte auch ein grundlegenderes Verständnis der Dämpfungseigenschaften von synthetischen Materialien und natürlichen Systemen ermöglichen. Zum Beispiel gibt es große und schwere Früchte, die aus großer Höhe von Bäumen fallen, aber unbeschädigt bleiben. Die Natur dient hier als Vorbild und molekulare Quellen könnten helfen, solche Systeme besser zu verstehen und nachzuahmen. Zukünftige Bemühungen werden sich daher darauf konzentrieren, molekulare Kraftfedern für den Einsatz in verschiedenen Kunststoffen anzupassen.