Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Dr. Michael Sommer, Professorship of Polymer Chemistry aan de Chemnitz University of Technology, en PD Dr. Michael Walter, projectleider bij het Cluster Of Excellence Living, Aangepaste, en energie-autonome materialensystemen (livMatS) aan de Universiteit van Freiburg, is erin geslaagd een nieuw kleurstofmolecuul te construeren uit het gebied van zogenaamde mechanoforen.

Dankzij dit molecuul spanningen van verschillende grootte in kunststof componenten kunnen continu worden gevisualiseerd door kleurveranderingen. Het concept van dergelijke kleurstoffen is niet nieuw, maar de meeste eerdere mechanoforen konden alleen de aanwezigheid of afwezigheid van stress in kunststoffen aangeven. Het huidige onderzoek maakt het nu mogelijk om onderscheid te maken tussen spanningen van verschillende grootte. Dit levert grote voordelen op wanneer het belangrijk is om spanningsverdelingen in macroscopische plastic componenten in kaart te brengen om de integriteit van het materiaal te allen tijde te bewaken. Het onderzoeksteam is nu een stap verder in de ontwikkeling van deze effectieve vorm van vervormings- en schadeanalyse, waardoor het dichter bij praktische toepassingen komt.

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 9 juli 2021.

Moleculaire veer toont de sterkte van de belasting in termen van kleur

Zoals de onderzoekers in hun publicatie rapporteren, door een moleculair ontworpen kleurstof te combineren met een geschikte en, bovenal, niet-bros plastic, macroscopische krachten kunnen nu worden teruggebracht tot de moleculaire schaal. Deze werkende krachten kunnen zijn, bijvoorbeeld, externe druk of spanning.

Het kleurstofmolecuul "voelt" dus de kracht die in de plastic componenten werkt en blijft veranderingen in kracht aangeven door toenemende kleurveranderingen. Als de externe belasting wordt afgenomen, het kleurstofmolecuul keert terug in zijn oorspronkelijke staat. Dit is de reden waarom deze kleurstof een "moleculaire veer" wordt genoemd - hij rekt en "veert" - afhankelijk van externe spanning.

Vergeleken met bestaande moleculaire schakelaars die stress in kunststoffen vertalen door van kleur te veranderen, de voordelen liggen hier duidelijk in het traploos in kaart brengen van krachten van verschillende groottes en het veerachtige gedrag van het molecuul, die dus steeds opnieuw kan worden gebruikt.

Betere mechanische eigenschappen - beter begrip en toepassing van demping

"Dit is een gedurfde stap in de richting van het direct visualiseren van externe restspanningen van kunststoffen met eenvoudige analytische methoden, die van grote hulp is voor de verdere ontwikkeling van materialen met verbeterde mechanische eigenschappen gemaakt door, bijvoorbeeld, 3d printen, " vat prof. Michael Sommer samen.

Maar het zou ook een meer fundamenteel begrip van de dempingseigenschappen van synthetische materialen en natuurlijke systemen mogelijk maken:er zijn grote en zware vruchten die van grote hoogte van bomen vallen maar onbeschadigd blijven. De natuur staat hier model, en moleculaire bronnen zouden kunnen helpen om dergelijke systemen beter te begrijpen en te imiteren.

Toekomstige inspanningen zullen daarom gericht zijn op het aanpassen van moleculaire krachtveren voor gebruik in verschillende kunststoffen. Dit vereist gezamenlijke inspanningen met andere onderzoeksgroepen en het gebruik van computerondersteunde methoden.