Högpresterande fibrer som har utsatts för höga temperaturer förlorar vanligtvis sina mekaniska egenskaper oupptäckta och, i värsta fall, kan riva just när liv beror på dem. Till exempel, säkerhetsrep som används av brandkårer eller upphängningslinor för tung last på byggarbetsplatser. Empa -forskare har nu utvecklat en beläggning som ändrar färg när den utsätts för höga temperaturer genom friktion eller eld.

Brandmannen springer in i den brinnande byggnaden och söker systematiskt rum för rum efter personer i behov av räddning. Vid honom sitter ett säkerhetsrep i andra änden av vilket hans kollegor väntar utanför framför byggnaden. I en nödsituation - om han skulle tappa medvetandet av någon anledning - kan de dra honom ur byggnaden eller följa honom in i byggnaden för räddning. Dock, om detta rep har utsatts för kraftig värme under tidigare operationer, det kan riva sönder. Detta innebär livsfara! Och hittills har det inte funnits något sätt att märka denna skada på repet. Ett team av forskare från Empa och ETH Zürich har nu utvecklat en beläggning som ändrar färg på grund av den fysiska reaktionen med värme, vilket tydligt indikerar om ett rep kommer att fortsätta att ge den säkerhet det lovar i framtiden.

Forskare från ETH Zürich och Empa utvecklade ett beläggningssystem 2018 som en del av en magisteruppsats, som Empa-teamet nu kunde tillämpa på fibrer. "Det var en process som innefattade flera steg, " säger Dirk Hegemann från Empas Advances Fibers lab. De första beläggningarna fungerade bara på släta ytor, så metoden måste först anpassas så att den även skulle fungera på krökta ytor. Empa har ett omfattande kunnande inom beläggning av fibrer – Hegemann och hans team har redan utvecklat elektriskt ledande fibrer tidigare (se länkar). Den så kallade sputterprocessen har nu även framgångsrikt applicerats på den senaste beläggningen.

Wafertunna lager med stor effekt

Tre lager krävs för att säkerställa att fibern faktiskt ändrar färg när den värms upp. Forskarna applicerar silver på själva fibern, i detta fall PET (dvs polyester) och VectranTM, en högteknologisk fiber. Detta fungerar som en reflektor – med andra ord, som ett metalliskt basskikt. Detta följs av ett mellanskikt av titan kväveoxid, vilket säkerställer att silvret förblir stabilt. Och först därefter följer det amorfa skiktet som orsakar färgförändringen:Germanium-antimon tellurium (GST), som bara är 20 nanometer tjock. När detta lager utsätts för förhöjda temperaturer, det kristalliseras, ändra färg från blått till vitt. Färgförändringen är baserad på ett fysiskt fenomen som kallas interferens. Två olika vågor (t.ex. ljus) möts och förstärker eller försvagar varandra. Beroende på den kemiska sammansättningen av det temperaturkänsliga lagret, denna färgändring kan justeras till ett temperaturområde mellan 100 och 400 grader och därmed anpassas till fibertypens mekaniska egenskaper.

Skräddarsydda lösningar

De möjliga användningsområdena för de färgskiftande fibrerna är fortfarande öppna, och Hegemann letar just nu efter möjliga projektpartners. Förutom säkerhetsutrustning för brandmän eller bergsbestigare, fibrerna kan också användas för lastrep i produktionsanläggningar, på byggarbetsplatser, etc. I alla fall, forskning om ämnet är långt ifrån klar. För närvarande, det är ännu inte möjligt att lagra fibrerna under långa tidsperioder utan att förlora deras funktionalitet. "Tyvärr, fasförändringsmaterialen oxiderar under loppet av några månader, "säger Hegemann. Detta innebär att motsvarande fasförändring - kristallisering - inte längre sker, även med värme, och repet förlorar därmed sin "varningssignal". Hur som helst, det har bevisats att principen fungerar, och hållbarhet är ett ämne för framtida forskning, säger Hegemann. "Så snart de första partnerna från branschen anmäler sitt intresse för våra egna produkter, fibrerna kan optimeras ytterligare efter deras behov."