Farbenspiel der Spannung Forscher messen Kräfte in Kunststoffen optisch jetzt genauer

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Faszinierende molekulare „Federn“ untersucht ein Forschungsteam der TU Chemnitz. Es entwickelt Farbstoffe, die Spannungen in Kunststoffen quantitativ anzeigen können ...

Unter der Leitung der Professur Polymerchemie der Technischen Universität Chemnitz ist es einem Forschungsteam gelungen, verschiedene Farbstoffmoleküle aus dem Bereich sogenannten Mechanophore (MPs) zu konstruieren. Das ist eine Klasse von Materialien, die auf bestimmte Stimulationen reagieren. Diese konnten von ihnen so eingesetzt werden, dass sie molekulare Spannungen in Kunststoffteilen quantitativ anzeigen. Mithilfe solcher Moleküle werden dann Bauteilspannungen je nach ihrer Stärke durch entsprechende Farbänderungen sichtbar, wie es weiter heißt. Bisher kennt man das nur durch den Einsatz von zwei um 90 ° zueinander verdrehten Polarisationsfiltern, zwischen denen sich die Kunststoffprobe befindet.

Springlebendige Kraftanzeiger aus dem Reich der Moleküle

Das Konzept solcher Farbstoffe ist aber nicht neu, wie die Chemnitzer zugeben. Bisherige Mechanophore konnten bisher jedoch nur verraten, ob es im Kunststoffteil Spannungen gibt oder nicht – null oder eins, quasi. In der Professur Polymerchemie werden jedoch seit einigen Jahren molekulare Torsionsfedern entwickelt, die sich als besonders geeignete und vielversprechende Klasse von Mechanophoren erweisen. Die Farbstoffmoleküle „fühlen“ sozusagen die Kraft, die innerhalb eines Kunststoffs wirkt. Sie zeigen die Höhe der mechanischen Belastung dabei per Farbumschlag an. Nimmt die Kraft auf den Kunststoff ab, kehren die Farbstoffmoleküle wieder in ihren Ausgangszustand zurück. Deshalb werden diese Farbstoffe auch als „molekulare Federn“ bezeichnet – sie dehnen sich wie ein elastisches Material und „springen“ danach wieder in ihren ursprünglichen Zustand, wie die Forscher beschreiben. In einer früheren Arbeit an der Professur Polymerchemie konnten damit bereits mechanische Spannungen in Kunststoffen stufenlos sichtbar gemacht und molekulare Kräfte aus der Theorie abgeleitet werden. Das sorge dann für große Vorteile, wenn es darauf ankomme, Belastungen in Kunststoffen in Echtzeit abzubilden. Diese neue Form der Schadensanalyse könnte schon bald zu praktischen Anwendungen führen, wie die Experten glauben.

Auch molekulare Torsionsfedern müssen kalibriert werden

In der aktuellen Forschungsarbeit, die in der Zeitschrift Angewandte Chemie publiziert wurde, wird dieses Konzept durch eine experimentelle Kalibrierung von Kräften weiterentwickelt. So kann die Größe von Kräften in verschiedenen Kunststoffen optisch bestimmt werden, lässt man wissen. Der Schritt von der bloßen Sichtbarmachung und theoretisch berechneten Kräften in Kunststoffen hin zu experimentell direkt bestimmten Kräften sei nicht zuletzt ein großer. Möglich wurde dieser Erfolg durch unterschiedlich funktionierende Mechanophore, deren Verhalten bei bestimmten mechanischen Spannungen untereinander abgeglichen werden kann. So konnten molekular wirkende Kräfte ermittelt werden. Bisher wurden vor allem Zugkräfte untersucht. Inwieweit aber auch äußere Druckkräfte zuverlässig und quantitativ bestimmt werden könnten, müsse noch erforscht werden.

Die Vorteile für die Kunststoffteil-Entwicklung der Zukunft

Die Ergebnisse aus Chemnitz bilden, wie betont wird, eine breite Basis für ein noch besseres grundlegendes Verständnis von Kräften in polymeren Materialien. In weiteren Experimenten, die im Rahmen eines kürzlich geförderten DFG-Projekts gemeinsam mit zwei Arbeitsgruppen der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg durchgeführt werden, sollen mikroskopische Kräfteverteilungen in verschiedenen Kunststoffen untersucht werden. Das soll auch bei 3D-gedruckten Bauteile untersucht werden. Die Visualisierung von zeit- und ortsaufgelösten Kräfteverteilungen könne nämlich bisher nur theoretisch modelliert werden. Der Einsatz von Torsionsfedern biete nun die einzigartige Möglichkeiten für mikroskopische Einblicke, um die Alterungs- und Schadensanalyse von Kunststoffteilen revolutionieren zu könnten.

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