Visualisering af stress i plast

Et forskerhold ledet af Prof. Dr. Michael Sommer, Professorat i polymerkemi ved Chemnitz University of Technology, og PD Dr. Michael Walter, projektleder hos Cluster Of Excellence Living, Fleksibel, og energi-autonome materialesystemer (livMatS) ved universitetet i Freiburg, er det lykkedes at konstruere et nyt farvestofmolekyle fra området med såkaldte mekanophorer.

Takket være dette molekyle, spændinger af forskellig størrelse i plastkomponenter kan visualiseres kontinuerligt ved farveændringer. Konceptet med sådanne farvestoffer er ikke nyt, men de fleste tidligere mekanophorer var kun i stand til at indikere tilstedeværelsen eller fraværet af stress i plast. Den nuværende forskning gør det nu muligt at skelne mellem spændinger af forskellig størrelse. Dette giver store fordele, når det er vigtigt at kortlægge spændingsfordelinger i makroskopiske plastkomponenter for hele tiden at overvåge materialets integritet. Forskerholdet er nu et skridt videre til at udvikle denne effektive form for deformations- og skadesanalyse, bringer det tættere på praktiske anvendelser.

Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation den 9. juli, 2021.

Molekylær fjeder viser belastningens styrke i form af farve

Som forskerne rapporterer i deres publikation, ved at kombinere et molekylært designet farvestof med et passende og, først og fremmest, ikke-skørt plastik, makroskopiske kræfter kan nu bringes ned til den molekylære skala. Disse handlende kræfter kan være, for eksempel, eksternt tryk eller spænding.

Farvestofmolekylet "føler" således kraften, der virker i plastkomponenterne og fortsætter med at indikere ændringer i kraft ved at øge farveændringer. Hvis den eksterne belastning tages af, farvestofmolekylet vender tilbage til sin oprindelige tilstand. Dette er grunden til, at dette farvestof kaldes en "molekylær fjeder" - det strækker sig og "springer" - afhængigt af ydre spændinger.

Sammenlignet med eksisterende molekylære switches, der oversætter stress i plastik ved at ændre farve, fordelene her ligger klart i den trinløse kortlægning af kræfter af forskellig størrelse samt molekylets fjederlignende adfærd, som dermed kan bruges igen og igen.

Bedre mekaniske egenskaber - bedre forståelse og anvendelse af dæmpning

"Dette er et dristigt skridt mod direkte at visualisere ydre restspændinger af plast med simple analytiske metoder, som er til stor hjælp til videreudvikling af materialer med forbedrede mekaniske egenskaber fremstillet af, for eksempel, 3D print, " opsummerer prof. Michael Sommer.

Men det kunne også tillade en mere grundlæggende forståelse af dæmpningsegenskaber af syntetiske materialer og naturlige systemer:F.eks. der er store og tunge frugter, der falder fra træer fra store højder, men forbliver ubeskadigede. Naturen fungerer som model her, og molekylære fjedre kunne hjælpe til bedre at forstå og efterligne sådanne systemer.

Den fremtidige indsats vil derfor fokusere på at tilpasse molekylære kraftfjedre til brug i forskellige plasttyper. Det vil kræve en fælles indsats med andre forskningsgrupper og brug af computerstøttede metoder.