Molekulare "Federn" zur optischen Spannungsmessung

27.11.2024

Ein Forschungsteam der Technischen Universität Chemnitz hat Farbstoffmoleküle entwickelt, die Spannungen in Kunststoffen durch Farbveränderungen sichtbar machen. Diese sogenannten "molekularen Federn" ermöglichen es, Kräfte in Echtzeit zu erkennen und zu messen – eine wegweisende Technik für die Schadensanalyse in polymeren Materialien.

Bild: Probe die grün leuchtet unter einem Mikroskop; Copyright: Jacob Müller

In Abhängigkeit von der Kraft ändert sich die Farbe der Probe. Verantwortlich dafür sind Farbstoffmoleküle aus dem Bereich sogenannter Mechanophore, die sich ändernde Bauteilspannungen durch Farbänderungen sichtbar machen.

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Das Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Michael Sommer verwendet für die Technologie eine auf Mechanophoren basierende Technik mit speziellen Farbstoffmolekülen, die auf Spannungen in Kunststoffen durch einen Farbumschlag reagieren.

Quantitative Kraftmessung durch Kalibrierung von Torsionsfedern

Während herkömmliche Mechanophore nur das Vorhandensein von Spannungen anzeigen, ermöglicht die Kalibrierung der sogenannten molekularen Torsionsfedern eine genaue Bestimmung der Kraftstärke. "Der Schritt von der bloßen Sichtbarmachung und theoretisch berechneten Kräften in Kunststoffen hin zu experimentell direkt bestimmten Kräften ist ein großer", betont Sommer. Durch den Abgleich unterschiedlich funktionierender Mechanophore konnte das Forschungsteam Zugkräfte in Echtzeit messen. Weitere Untersuchungen sollen klären, ob auch Druckkräfte zuverlässig gemessen werden können.

Neuer Ansatz für Schadens- und Alterungsanalyse in Kunststoffen

Die Ergebnisse des Projekts eröffnen neue Möglichkeiten für die Schadensanalyse und Alterungsforschung. In einem durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt soll die Technik auf mikroskopische Kräfteverteilungen in Kunststoffen ausgeweitet werden. Gemeinsam mit Expertinnen und Experten der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg wird auch der Einsatz in 3D-gedruckten Bauteilen erforscht. Diese Technik bietet einzigartige Möglichkeiten, um Alterungsprozesse und mikroskopische Einblicke in Kräfteverteilungen besser zu verstehen.

Ergebnisse und Ausblick

Das Forschungsteam sieht großes Potenzial in der Anwendung dieser molekularen Torsionsfedern für eine präzisere Analyse von polymeren Materialien. Diese Erkenntnisse könnten maßgeblich zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und Langlebigkeit von Kunststoffen beitragen. Erstautor Raphael Hertel hat dabei wesentliche Anteile an Konzeption und Durchführung der Experimente beigetragen. Prof. Sommer hebt hervor: "Es ist immer wieder eine große Freude zu sehen, wie jemand aus der Arbeitsgruppe so erfolgreich Projekte eigenständig bearbeitet."

Das Projekt wird in Kooperation mit den Universitäten Freiburg und der Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft realisiert. Die Forschungsergebnisse bieten eine Grundlage, um neue Standards in der Schadensanalyse und mechanischen Optimierung von Kunststoffen zu setzen.

COMPAMED.de; Quelle: Technische Universität Chemnitz

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