Polymer-Wissenschaft
Neues Material warnt vor Überlastung

Ein synthetisches Material, das unter mechanischer Belastung seine Farbe verändert, präsentieren Forscher aus den USA in der Fachzeitschrift „Nature“. Das könnte helfen, künftig den Bruch oder die Abnutzung von Bauteilen in Maschinen oder Bauwerken vorzeitig zu erkennen und dadurch Unfälle zu verhindern. Das Material wird zuverlässig allmählich rot, wenn es mechanischen Belastungen ausgesetzt ist.
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DÜSSELDORF. Ideengeber für die Chemiker von der University of Illinois in Urbana-Champaign waren Stoffe in der belebten Natur. Viele Biomaterialien zerfallen nicht einfach unter mechanischer Einwirkung, sondern antworten darauf durch chemisch zu erklärende Veränderungen. Zu beobachten ist das etwa nach Knochenbrüchen. Ermöglicht werden durch diese Fähigkeiten aber auch komplexe Prozesse in Organismen wie das Hören oder die Kontraktion von Muskeln.

Die Forschergruppe um Nancy Sottos von der Universität von Illinois hatte schon früher gezeigt, dass Polymer-Kunststoffe durch äußere Einwirkungen wichtige Eigenschaften verändern können, sofern sie Mechanophoren enthalten. Mechanophoren sind Chemikalien, bei denen die sogenannten kovalenten Bindungen zwischen den Atomen auf mechanische Einwirkungen reagieren.

Für ihre neuen Versuche nutzten die Forscher ein „Spiropyran“, das unter solchen Einwirkungen seine Farbe verändert. Zu erklären ist der Farbwechsel durch neue, verzerrte kovalente Bindungen zwischen den Molekülen, die dadurch andere optische Eigenschaften erhalten. Für das neue Material haben die Forscher ein solches Spiropyran in Polymer-Materialien eingebracht. In Tests wurde das gummiartige Material dann in die Länge gezogen. Es verfärbte sich deutlich rot, wenn die Verformung nicht mehr rückgängig zu machen war, das Material also zu reißen begann.

Die gleiche Herstellungsstrategie könnte möglicherweise auch die Entwicklung von Materialien mit selbstheilenden Eigenschaften ermöglichen. „Die Aktivierung von kovalenten Bindungen unter Druck kann zu neuen Werkstoffen mit vielseitigen Eigenschaften – von Warnsensoren bis zu selbstheilenden Materialien – führen“, schreibt Nancy Sottos.

In einem Kommentar bestätigt der an den Versuchen nicht beteiligte Chemiker Christoph Weder von der Universität Fribourg in der Schweiz die Euphorie der Kollegen: „Das könnte ein Meilenstein der Polymer-Wissenschaft sein, weil das allgemeine Designkonzept wahrscheinlich auf eine Fülle von Materialien anwendbar ist, die mechanischen Stress in alle Arten nützlicher chemischer Reaktionen übertragen.“

Denkbar sind etwa Werkstoffe, die sich unter mechanischer Belastung versteifen und dadurch Bauteile stabilisieren. „Wissenschaftler vieler Disziplinen werden nur durch ihre Vorstellungskraft beschränkt sein, wenn es darum geht, mechanisch reagierende Polymere für ihre spezifischen Bedürfnisse zu finden“, schreibt Weder.

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