Forschende der ETH haben einen Baustoff entwickelt, der Materialversagen frühzeitig anzeigen soll. So sollen schlimmere Ereignisse verhindert werden.
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Ein von ETH-Forschenden geschaffenes Material zeigt durch Fluoreszieren innere Schwächen an, bevor sie sich - etwa in Flugzeugen - katastrophal auswirken. Von links nach rechts: Ein von aussen nicht sichtbarer Riss bildet sich und beginnt bei den ersten Anzeichen zu fluoreszieren (Pressebild). - sda - American Chemical Society

Das Wichtigste in Kürze

  • Ein neuer Baustoff soll Materialschwächen möglichst früh anzeigen.
  • Er wurde von Forschenden der ETH Zürich entwickelt.
  • Damit soll verhindert werden, dass Schlimmeres passiert, heisst es.

ETH-Forschende haben ein neuartiges Laminat entwickelt, das durch Fluoreszieren anzeigt, wenn das Material geschwächt ist. Bei der zunehmenden Leichtbauweise – etwa im Schiff- oder Flugzeugbau – ist das ein nicht zu unterschätzender Vorteil.

Neben Leichtmetallen wie Aluminium werden immer häufiger auch Verbundmaterialien, sogenannte Komposite, in tragenden Anwendungen verbaut.

Materialversagen anzeigen, bevor etwas passiert

Weil diese neuen Materialien noch wenig erprobt sind, müssen Methoden entwickelt werden, die ein mögliches Versagen frühzeitig anzeigen. Mit einem Material, das sich gleichsam selbst diagnostiziert, haben Forschende der ETH und der Uni Freiburg dieses Problem elegant gelöst.

Sie haben einen Leichtgewichts-​Werkstoff geschaffen, der durch eine Farbänderung innere Verformungen und damit ein mögliches Materialversagen anzeigt. Dies, bevor etwas Schlimmes passiert. Das aus einzelnen Schichten zusammengesetzte Laminat ist gemäss einer Mitteilung vom Freitag transparent, bruchfest und trotzdem sehr leicht.

Indikatormolekül extra an Uni Freiburg synthetisiert

Aufgebaut ist das Laminat aus sich abwechselnden Schichten aus einem Kunststoff und künstlichem Perlmutt. Letzteres ist eine Spezialität des ETH-Labors für Komplexe Materialien und ist dem biologischen Vorbild der Muschelschale nachempfunden. Es besteht aus unzähligen, parallel angeordneten Glasplättchen, die verdichtet, gesintert (auf spezielle Art erhitzt) 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 an der Universität Freiburg synthetisiertes Indikatormolekül beimengten. Dieses Molekül wird durch Dehnungskräfte, die im Polymer auftreten, aktiviert. Dadurch verändert sich dessen Fluoreszenz. Je stärker die Materialdehnung und je mehr dieser Moleküle aktiviert werden, desto intensiver wird die Fluoreszenz.

Fluoreszenz ist gut messbar

«Wir haben fluoreszierende Moleküle verwendet, weil man die Zunahme der Fluoreszenz sehr gut messen kann. Man ist nicht auf die subjektive Wahrnehmung angewiesen», erläutert Tommaso Magrini. Er ist 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. Aber die Wahrnehmung von Farben sei subjektiv und Rückschlüsse auf Veränderung im Material schwierig. Dank der Fluoreszenz können überbeanspruchte Bereiche bereits entdeckt werden, bevor sich Brüche ausbilden.

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