Hoogwaardige vezels die aan hoge temperaturen zijn blootgesteld, verliezen gewoonlijk hun mechanische eigenschappen onopgemerkt en, in het slechtste geval, kan precies scheuren wanneer levens van hen afhangen. Bijvoorbeeld, veiligheidskabels gebruikt door brandweerkorpsen of ophangkabels voor zware lasten op bouwplaatsen. Empa-onderzoekers hebben nu een coating ontwikkeld die van kleur verandert bij blootstelling aan hoge temperaturen door wrijving of vuur.

De brandweerman rent het brandende gebouw binnen en zoekt systematisch kamer voor kamer af naar mensen die gered moeten worden. Aan hem hangt een veiligheidstouw aan het andere uiteinde waarvan zijn collega's buiten voor het gebouw wachten. In een noodgeval - mocht hij om welke reden dan ook het bewustzijn verliezen - kunnen ze hem uit het gebouw trekken of hem het gebouw in volgen om hem te redden. Echter, als dit touw is blootgesteld aan overmatige hitte tijdens eerdere operaties, het kan uit elkaar scheuren. Dit betekent levensgevaar! En tot nu toe is er geen enkele manier geweest om deze schade aan het touw op te merken. Een team van onderzoekers van Empa en ETH Zürich heeft nu een coating ontwikkeld die van kleur verandert door de fysieke reactie met warmte, daarmee duidelijk aangevend of een touw ook in de toekomst de beloofde veiligheid zal blijven bieden.

Onderzoekers van ETH Zürich en Empa ontwikkelden in 2018 een coatingsysteem als onderdeel van een masterproef, die het Empa-team nu op vezels kon toepassen. "Het was een proces met verschillende stappen, " zegt Dirk Hegemann van Empa's Advances Fibers lab. De eerste coatings werkten alleen op gladde oppervlakken, dus moest de methode eerst worden aangepast, zodat deze ook op gebogen oppervlakken zou werken. Empa heeft uitgebreide knowhow op het gebied van het coaten van vezels - Hegemann en zijn team hebben in het verleden al elektrisch geleidende vezels ontwikkeld (zie links). Het zogenaamde sputterproces is nu ook met succes toegepast op de nieuwste coating.

Wafeldunne laagjes met groots effect

Er zijn drie lagen nodig om ervoor te zorgen dat de vezel bij verhitting daadwerkelijk van kleur verandert. De onderzoekers brengen zilver aan op de vezel zelf, in dit geval PET (d.w.z. polyester) en VectranTM, een hightech vezel. Dit dient als een reflector - met andere woorden, als een metalen basislaag. Daarna volgt een tussenlaag van titaanstikstofoxide, wat ervoor zorgt dat het zilver stabiel blijft. En pas dan volgt de amorfe laag die de kleurverandering veroorzaakt:Germanium-antimoontellurium (GST), die slechts 20 nanometer dik is. Wanneer deze laag wordt blootgesteld aan hoge temperaturen, het kristalliseert, de kleur veranderen van blauw naar wit. De kleurverandering is gebaseerd op een fysiek fenomeen dat interferentie wordt genoemd. Twee verschillende golven (bijvoorbeeld licht) ontmoeten elkaar en versterken of verzwakken elkaar. Afhankelijk van de chemische samenstelling van de temperatuurgevoelige laag, deze kleurverandering kan worden aangepast aan een temperatuurbereik tussen 100 en 400 graden en dus aangepast aan de mechanische eigenschappen van het vezeltype.

Oplossingen op maat

De mogelijke toepassingsgebieden voor de kleurveranderende vezels zijn nog open, en Hegemann is momenteel op zoek naar mogelijke projectpartners. Naast veiligheidsuitrusting voor brandweerlieden of bergbeklimmers, de vezels kunnen ook worden gebruikt voor laadkabels in productiefaciliteiten, op bouwplaatsen, enz. In ieder geval onderzoek naar dit onderwerp is verre van compleet. Momenteel, het is nog niet mogelijk om de vezels langdurig op te slaan zonder hun functionaliteit te verliezen. "Helaas, de faseovergangsmaterialen oxideren in de loop van een paar maanden, ", zegt Hegemann. Dit betekent dat de bijbehorende faseverandering - kristallisatie - niet meer plaatsvindt, zelfs met warmte, en het touw verliest zo zijn "waarschuwingssignaal". In elk geval, het is bewezen dat het principe werkt, en duurzaamheid is een onderwerp voor toekomstig onderzoek, zegt Hegemann. "Zodra de eerste partners uit de industrie interesse tonen in onze eigen producten, de vezels kunnen verder worden geoptimaliseerd op basis van hun behoeften."