Neue farbwechselnde Farbstoffe ermöglichen präzise Spannungsmessung in Kunststoffen

Ein Forschungsteam konstruierte ein neues Farbstoffmolekül aus dem Bereich der Mechanophore. Dank dieses Moleküls können Spannungen unterschiedlicher Größenordnung in Kunststoffbauteilen kontinuierlich durch Farbänderungen visualisiert werden.

Fortschritt gegenüber bestehenden Mechanophoren

Das Konzept solcher Farbstoffe ist nicht neu, aber die meisten bisherigen Mechanophore konnten nur die Anwesenheit oder Abwesenheit von Spannung in Kunststoffen anzeigen. Das neue Molekül ermöglicht die Differenzierung zwischen Spannungen unterschiedlicher Größenordnung. Dies ist wichtig, um Spannungsverteilungen in makroskopischen Kunststoffbauteilen abzubilden und die Integrität des Materials jederzeit zu überwachen. Das Team entwickelt diese Form der Deformations- und Schadensanalyse weiter, um sie praktischen Anwendungen näherzubringen.

Funktionsprinzip: Molekulares Federn

Durch Kombination eines molekular designten Farbstoffs mit einem geeigneten und nicht-spröden Kunststoff können makroskopische Kräfte nun auf die molekulare Skala heruntergebrochen werden. Diese einwirkenden Kräfte können beispielsweise externer Druck oder Zug sein. Das Farbstoffmolekül „spürt“ so die im Kunststoffbauteil wirkende Kraft und zeigt Änderungen der Kraft durch zunehmende Farbänderungen an. Wird die externe Last entfernt, kehrt das Farbstoffmolekül in seinen Ursprungszustand zurück – eine molekulare Feder, die sich dehnt und zurückfedert, je nach externer Spannung.

Vorteile der neuen Technologie

Verglichen mit bestehenden molekularen Schaltern, die Spannung in Kunststoffen durch Farbänderung übersetzen, liegen die Vorteile der neuen Technologie in der stufenlosen Abbildung von Kräften unterschiedlicher Größenordnung sowie dem federartigen Verhalten des Moleküls, das immer wieder verwendet werden kann.

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