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Neben Leichtmetallen wie Aluminium werden immer häufiger auch Verbundmaterialien, sogenannte Komposite, in tragenden Anwendungen verbaut. Weil diese neuen Materialien noch wenig erprobt sind, müssen Methoden entwickelt werden, die ein mögliches Versagen frühzeitig anzeigen. Mit einem Material, das sich gleichsam selbst diagnostiziert, haben Forschende der Zürcher ETH und der Uni Freiburg diese Problem elegant gelöst.
Sie haben einen Leichtgewichts-Werkstoff geschaffen, der durch eine Farbänderung innere Verformungen und damit ein mögliches Materialversagen anzeigt, bevor etwas Schlimmes passiert. Das aus einzelnen Schichten zusammengesetzte Laminat ist gemäss einer Mitteilung vom Freitag transparent, bruchfest und trotzdem sehr leicht.
Künstliches Perlmutt - eine Eigenerfindung
Aufgebaut ist das Laminat aus sich abwechselnden Schichten aus einem Kunststoff und künstlichem Perlmutt. Letzteres ist eine Spezialität des ETH-Labors für Komplexe Materialien und ist dem biologischen Vorbild der Muschelschale nachempfunden. Es besteht aus unzähligen, parallel angeordneten Glasplättchen, die verdichtet, gesintert (auf spezielle Art erhitzt) und durch ein Polymer-Harz verfestigt werden. Dadurch wird es äusserst hart und bruchfest.
Die zweite Schicht besteht aus einem Polymer, dem die Forschenden ein eigens für diese Anwendung an der Universität Freiburg synthetisiertes Indikatormolekül beimengten. Dieses Molekül wird durch Dehnungskräfte, die im Polymer auftreten, aktiviert. Dadurch verändert sich dessen Fluoreszenz. Je stärker die Materialdehnung und je mehr dieser Moleküle aktiviert werden, desto intensiver wird die Fluoreszenz.
Leuchten ist besser als blosser Farbwechsel
«Wir haben fluoreszierende Moleküle verwendet, weil man die Zunahme der Fluoreszenz sehr gut messen kann und nicht auf die subjektive Wahrnehmung angewiesen ist», erläutert Tommaso Magrini, Erstautor einer entsprechenden Studie, die vor kurzem in der Fachzeitschrift «ACS Applied Materials and Interfaces» erschienen ist.
Man hätte das System auch mit einem von aussen direkt wahrnehmbaren Farbumschlag aufbauen können. Aber die Wahrnehmung von Farben sei subjektiv und Rückschlüsse auf Veränderung im Material schwierig. Dank der Fluoreszenz können überbeanspruchte Bereiche bereits entdeckt werden, bevor sich Brüche ausbilden.
*Fachpublikationsnummer DOI: 10.1021/acsami.1c05964