Een kruik gaat net zolang te water tot hij barst. Maar het zou een stuk beter zijn, als de kruik voor dat breekpunt aangeeft, dat de druk te hoog wordt. Dat is nu mogelijk dankzij een onderzoeksteam onder leiding van de Duitse wetenschapper Prof. Dr. Michael Sommer van de Technische Universiteit Chemnitz, en PD Dr. Michael Walter van de Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Zij wisten een nieuwe kleurstofmolecuul te ontwikkelen uit de groep moleculen mechanoforen. Deze reageren op een mechanisch signaal, zoals een kracht, door een lichtsignaal uit te zenden.
Dankzij deze moleculen kunnen spanningen op onderdelen voortdurend worden aangegeven door kleurveranderingen, afhankelijk van hun sterkte. Het concept van dergelijke kleurstoffen is niet nieuw. Eerdere mechanoforen konden echter meestal alleen de aan- of afwezigheid van stress in kunststoffen aangeven. Het huidige onderzoek voegt daar nu de dimensie van de werkelijke sterkte van de spanning aan toe. Dit biedt grote voordelen wanneer het belangrijk is te allen tijde een overzicht te hebben van de spanning en dus ook van de betrouwbaarheid van het materiaal. Het onderzoeksteam is nu een stap dichter bij de ontwikkeling van deze doeltreffende vorm van schadeanalyse en de invoering ervan in de praktijk.
De resultaten van het onderzoek werden gepubliceerd in „Nature Communications“.
Moleculaire ‘veer’
Zoals de onderzoekers in hun publicatie melden, kunnen nu, door een moleculair ontworpen kleurstof te combineren met een geschikte en vooral niet-brosse kunststof, macroscopische krachten worden overgebracht naar de moleculaire schaal. Deze werkende krachten kunnen bijvoorbeeld externe druk of spanning zijn. De kleurstofmolecule “voelt” dus de kracht die in het plastic werkt en blijft veranderingen in kracht aangeven door veranderingen in kleur. Als de kracht op de kunststof afneemt, keert het kleurstofmolecuul terug naar zijn oorspronkelijke toestand. Daarom wordt deze kleurstof ook wel een “moleculaire veer” genoemd. Hij rekt uit en “springt” dan terug naar zijn oorspronkelijke toestand. In vergelijking met bestaande moleculaire schakelaars die krachten in kunststoffen kunnen aangeven door van kleur te veranderen, liggen de voordelen hier duidelijk in het traploos in kaart brengen van krachten van verschillende grootte. Daarbij komt ook nog het oordeel dat door zijn veerkracht het steeds opnieuw kan worden gebruikt.
Demping
“Dit is een grote stap in de richting van het direct visualiseren van uitwendige spanningen en restspanningen van kunststoffen met eenvoudige analytics. Dat kan van groot belang kan zijn voor de verdere ontwikkeling van materialen met verbeterde mechanische eigenschappen of op het gebied van 3D-printen”, Sommer samen. Maar het zou het ook gemakkelijker kunnen maken om de dempingseigenschappen van speciale materialen en ook natuurlijke systemen te begrijpen.
Zo zijn er grote en zware vruchten die van grote hoogte uit bomen vallen, maar de val onbeschadigd overleven. De natuur dient hier als model. Moleculaire bronnen kunnen helpen om dergelijke systemen beter te begrijpen en na te bootsen.
Foto: De ontwikkelde kleurstof toont spanningen en hun sterkte in kunststoffen en onderdelen. Of dit werkt werd onderzocht in mechanische experimenten met een testlichaam met een krachtveer.
Ook interessant: Milieuschade in bossen ontdekken met drones en sensoren
