Schweizer Forscher von der Hochschule ETH in Zürich haben ein sehr leichtes Laminat entwickelt, das sich verfärbt, sobald sich das Material verformt und dadurch möglicherweise Schaden nimmt. Das Besondere daran: Die Materialforschenden schlagen damit zwei Fliegen mit einer Klappe: Denn der Verbundwerkstoff verfügt nicht nur über ein geringes Gewicht, sondern gibt quasi von alleine Auskunft, wenn er durch eine Verformung droht, kaputt zu gehen.
Hintergrund: In vielen Bereichen hat die Leichtbauweise Einzug gehalten, insbesondere im Fahrzeug-, Schiff- und Flugzeugbau. Nebst klassischen Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium oder Titan werden zunehmend auch Verbundmaterialien, sogenannte Komposite, in tragenden Anwendungen verbaut. Das hat zur Folge, dass gleichzeitig neue Techniken und Methoden entwickelt werden müssen, um Schäden oder gar ein mögliches Versagen solcher noch wenig erprobter Materialien frühzeitig zu erkennen.
Forschende der ETH Zürich aus der Gruppe für Komplexe Materialien in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Fribourg haben nun einen Ansatz gewählt, über den in der Materialforschung schon viel nachgedacht wurde: Das aus einzelnen Schichten zusammengesetzte Laminat ist transparent, bruchfest und trotzdem sehr leicht.
Künstliches Perlmutt mit Polymer kombiniert
Aufgebaut ist es aus sich abwechselnden Schichten aus einem Kunststoff (Polymer) und künstlichem Perlmutt. Letzteres ist eine Spezialität des Labors für Komplexe Materialien und ist dem biologischen Vorbild der Muschelschale nachempfunden. Es besteht aus unzähligen, parallel angeordneten Glasplättchen, die verdichtet, gesintert und durch ein Polymer-Harz verfestigt werden. Dadurch wird es äusserst hart und bruchfest.
Die zweite Schicht besteht aus einem Polymer, dem die Forschenden ein eigens für diese Anwendung an der Universität Fribourg synthetisiertes Indikatormolekül beimengten. Dieses Molekül wird durch Dehnungskräfte, die im Polymer auftreten, aktiviert. Dadurch verändert sich dessen Fluoreszenz. Das ist die spontane Emission von Licht kurz nach der Anregung eines Materials durch Licht. Je stärker die Materialdehnung und je mehr dieser Moleküle aktiviert werden, desto intensiver wird die Fluoreszenz.
Licht zeigt überbeanspruchte Teile an
"Wir haben fluoreszierende Moleküle verwendet, weil man die Zunahme der Fluoreszenz sehr gut messen kann und nicht auf die subjektive Wahrnehmung angewiesen ist", sagt Tommaso Magrini, Erstautor einer entsprechenden Studie, die vor kurzem in der Fachzeitschrift "ACS Applied Materials and Interfaces" erschienen ist. Man hätte das System auch mit einem von aussen direkt wahrnehmbaren Farbumschlag aufbauen können.
Mithilfe der Fluoreszenz können die Forschenden nun überbeanspruchte Bereiche innerhalb des Verbundwerkstoff bereits dann identifizieren, bevor sich Brüche ausbilden. Dadurch lassen sich anfällige Stellen in einer Struktur frühzeitig erkennen, ehe ein katastrophales Versagen auftritt. Eine mögliche Anwendung des neuartigen Laminats sind denn auch Bauteile in tragenden Strukturen, etwa von Bauten, Flugzeugen oder Fahrzeugen, und deren Versagen unbedingt frühzeitig erkannt werden muss.
