En forskargrupp ledd av Prof. Dr. Michael Sommer, Professor i polymerkemi vid Chemnitz tekniska universitet, och PD Dr Michael Walter, projektledare på Cluster Of Excellence Living, Adaptiv, och energiautonoma materialsystem (livMatS) vid universitetet i Freiburg, har lyckats konstruera en ny färgämnesmolekyl från området så kallade mekanoforer.

Tack vare denna molekyl, spänningar av olika storlek i plastkomponenter kan visualiseras kontinuerligt genom färgförändringar. Konceptet med sådana färgämnen är inte nytt, men de flesta tidigare mekanoforer kunde endast indikera närvaron eller frånvaron av stress i plast. Den aktuella forskningen gör det nu möjligt att skilja mellan spänningar av olika storlek. Detta ger stora fördelar när det är viktigt att kartlägga spänningsfördelningar i makroskopiska plastkomponenter för att övervaka materialets integritet hela tiden. Forskargruppen är nu ett steg längre för att utveckla denna effektiva form av deformations- och skadeanalys, föra det närmare praktiska tillämpningar.

Resultaten av studien publicerades i tidskriften Naturkommunikation den 9 juli, 2021.

Molekylfjäder visar lastens styrka i form av färg

Som forskarna rapporterar i sin publikation, genom att kombinera ett molekylärt utformat färgämne med ett lämpligt och, framför allt, icke-skör plast, makroskopiska krafter kan nu föras ner till den molekylära skalan. Dessa verkande krafter kan vara, till exempel, yttre tryck eller spänning.

Färgämnesmolekylen "känner" alltså kraften som verkar inuti plastkomponenterna och fortsätter att indikera förändringar i kraft genom ökande färgförändringar. Om den externa lasten tas bort, färgämnesmolekylen återgår till sitt ursprungliga tillstånd. Det är därför detta färgämne kallas en "molekylär fjäder" - det sträcker sig och "fjädrar" - beroende på yttre spänning.

Jämfört med befintliga molekylära switchar som översätter stress i plast genom att ändra färg, fördelarna här ligger helt klart i den steglösa kartläggningen av krafter av olika storlek samt molekylens fjäderliknande beteende, som alltså kan användas om och om igen.

Bättre mekaniska egenskaper – bättre förståelse och tillämpning av dämpning

"Detta är ett djärvt steg mot att direkt visualisera yttre restspänningar av plast med enkla analytiska metoder, vilket är till stor hjälp för vidareutveckling av material med förbättrade mekaniska egenskaper tillverkade av, till exempel, 3d-utskrivning, " sammanfattar prof. Michael Sommer.

Men det skulle också kunna möjliggöra en mer grundläggande förståelse av dämpningsegenskaper hos syntetiska material och naturliga system:Till exempel, det finns stora och tunga frukter som faller från träd från stora höjder men förblir oskadade. Naturen fungerar som förebild här, och molekylära fjädrar skulle kunna hjälpa till att bättre förstå och imitera sådana system.

Framtida satsningar kommer därför att fokusera på att anpassa molekylära kraftfjädrar för användning i olika plaster. Detta kommer att kräva gemensamma ansträngningar med andra forskargrupper och användning av datorstödda metoder.