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Farbstoffmolekül macht’s möglich

Spannung in Kunststoffen sichtbar machen

Farbstoff macht Spannungen in Bauteilen sichtbar
Der entwickelte Farbstoff zeigt Spannungen und deren Stärke in Kunststoffen und Bauteilen an. Ob das funktioniert, wurde in mechanischen Experimenten bei der Verwendung eines Testkörpers mit Kraftfeder untersucht.
© Maximilian Raisch (TU Chemnitz)

Ein Forschungsteam unter der Federführung der TU Chemnitz hat Farbstoffe entwickelt, die Spannungen und deren Stärke in Kunststoffen und Bauteilen durch Farbänderung sichtbar machen – und das stufenlos und kontinuierlich.  

Dass man Farbstoffe zur Materialprüfung einsetzen kann, ist nicht neu. Allerdings konnten bisherige Farbmolekühle aus der der Gruppe der sogenannten „Mechanophore“, auf der auch das Verfahren der TU Chemnitz basiert, meist nur die An- oder Abwesenheit von Spannungen in Kunstoffen anzeigen. Durch die aktuelle Forschung kommt jetzt die Dimension der tatsächlichen Stärke der Spannung hinzu. Das bringt große Vorteile überall dort, wo es wichtig ist, einen Überblick über die Belastung und damit auch die Integrität des Materials von Bauteilen zu haben.

Dank eines neuen Moleküls können Bauteilspannungen jetzt je nach Stärke stufenlos durch Farbänderungen angezeigt werden. Diese effektive Form von Schadensanalytik zu entwickeln und zur praktischen Anwendung zu bringen, ist ein Forschungsteam nun einen Schritt nähergekommen, welches unter der Leitung von Prof. Michael Sommer, Inhaber der Professur Polymerchemie der Technischen Universität Chemnitz, sowie PD Dr. Michael Walter, Projektleiter im Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, steht. Die Ergebnisse der Untersuchung sind erstmals im Fachjournal „Nature Communications“ erschienen.

Wie eine "molekulare Feder"

Dank der Kombination eines molekular designten Farbstoffes mit einem geeigneten und vor allem nicht-spröden Kunststoffes lassen sich makroskopische Kräfte nun auf die molekulare Skala übertragen. 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 Farbe 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 zurück.

Im Vergleich zu bereits existierenden molekularen Schaltern, die Kräfte in Kunstoffen 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.

Anwendungsbereich: Neue Optionen für den 3D-Druck

Dr. Michael Sommer, TU Chemnitz, ordnet die Forschungsergebnisse wie folgt ein: »Dies ist ein großer Schritt in Richtung der direkten Sichtbarmachung von externen Spannungen und Eigenspannungen von Kunstoffen 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«. 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 dabei 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.


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