ETH Zürich-forskare har utvecklat en ny typ av laminat som ändrar färg så fort materialet deformeras. Den här vägen, materialforskarna kan slå två flugor i en smäll:ett lätt kompositmaterial som inspekterar sig självt.

Lättviktskonstruktion har hittat sin väg till många områden, speciellt biltillverkning, skeppsbyggnad och flygplanskonstruktion. Förutom traditionella lättviktsmetaller som aluminium, magnesium eller titan, lastbärande applikationer innehåller alltmer kompositmaterial. Detta driver ett samtidigt behov av att utveckla nya tekniker och metoder för att tidigt upptäcka skador på eller till och med eventuella fel på sådant ännu understuderat material.

Forskare från Complex Materials Group vid ETH Zürich, arbetar i samarbete med forskare från universitetet i Fribourg, har nu anammat ett tillvägagångssätt som nyligen har väckt uppmärksamhet inom materialforskning:de har skapat ett lättviktsmaterial som använder en färgförändring för att indikera inre deformation och därmed eventuellt materialfel i ett tidigt skede. Består av individuella lager, deras laminat är genomskinligt, brottsäker och ändå väldigt lätt.

Konstgjord pärlemor i kombination med polymer

Laminatet är sammansatt av omväxlande lager av en plastpolymer och konstgjord pärlemor eller pärlemor. Det sistnämnda är en specialitet från Complex Materials Laboratory och bygger på det biologiska exemplet med musselskalet. Den består av otaliga glasplättar anordnade parallellt, som är komprimerade, sintras och stelnas med användning av ett polymerharts. Detta gör den extremt hård och brottsäker.

Det andra lagret består av en polymer till vilken forskarna lagt till en indikatormolekyl som syntetiserats specifikt för denna applikation vid universitetet i Fribourg. Molekylen aktiveras så snart polymeren upplever sträckningskrafter, och detta ändrar dess fluorescens. Ju mer materialet sträcker sig och desto fler av dessa molekyler aktiveras, desto mer intensiv blir fluorescensen.

Fluorescens indikerar överbelastade delar

"Vi använde fluorescerande molekyler eftersom du kan mäta ökningen av fluorescens mycket bra och du behöver inte förlita dig på subjektiv uppfattning, " säger Tommaso Magrini, huvudförfattare till studien, som nyligen publicerades i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt . Systemet kunde också ha satts upp för att producera en färgförändring som skulle vara direkt märkbar utifrån. Men:"Uppfattningen av färger är subjektiv och det är svårt att dra slutsatser om förändringar i materialet, säger Magrini.

Med hjälp av fluorescens, forskarna kan nu identifiera överbelastade områden i kompositmaterialet redan innan sprickor bildas. Detta möjliggör tidig upptäckt av sårbara områden i en struktur innan katastrofala fel inträffar. En möjlig tillämpning av det nya laminatet är i komponenter i de bärande strukturerna som finns i byggnader, flygplan eller fordon, där det är viktigt att upptäcka deras misslyckande i ett tidigt skede.

Dock, det återstår att se om och hur materialet kan framställas i industriell skala. Än så länge, det finns bara i laboratorieskala som ett bevis på konceptet.