A Chemnitzi Műszaki Egyetem kutatócsoportja olyan speciális festékmolekulákat fejlesztett ki, amelyekkel kvantitatív módon jelezhetők a műanyagokban lévő mechanikai feszültségek. Ezek az úgynevezett „molekuláris rugók” a rájuk ható erők erősségétől függően változtatják a színüket, és így vizuális feszültségelemzést tesznek lehetővé. Ezzel új lehetőségeket nyílnak meg a polimer anyagok megértésében és ellenőrzésében.
Michael Sommer, a Chemnitzi Műszaki Egyetem polimerkémia professzora és kutatócsoportja így fontos áttörést ért el a mechanofóroknak nevezett speciális festékek kifejlesztésében. Ezek az újszerű molekulák képesek a műanyagokban lévő mechanikai feszültségek pontos és mennyiségi kimutatására. Ezeknek a festékmolekuláknak a különlegessége, hogy a rájuk ható erők erősségétől függően különböző színt vesznek fel, így lehetővé téve az alkotóelemek feszültségének vizuális megjelenítését. Ez a felfedezés teljesen új távlatokat nyit a számos alkalmazási területen használt polimer anyagok megfigyelésére és elemzésére.
Bár a stresszérzékeny festékek elve nem teljesen új, az eddig rendelkezésre álló mechanofórok csak a feszültség jelenlétét vagy hiányát tudták jelezni a műanyagokban. Az elmúlt években azonban a Chemnitzi Műszaki Egyetem Polimerkémia Tanszéke intenzíven dolgozott az úgynevezett molekuláris torziós rugók kifejlesztésén. Ezek a speciális festékmolekulák reagálnak a műanyagban ható erőkre, és színváltozással jelzik a mechanikai feszültséget. Amint a műanyagra ható erő csökken, a festékmolekulák visszatérnek eredeti állapotukba – hasonlóan egy rugóhoz, amely kitágul, majd ismét összehúzódik.
Műanyagok: a feszültségek vizualizálása
A Polimerkémia Tanszék egy korábbi tanulmánya már kimutatta, hogy ezek a molekuláris torziós rugók felhasználhatók a műanyagokban lévő mechanikai feszültségek folyamatos vizualizálására és az elméleti molekuláris erők levezetésére. „Ez a módszer óriási előnyökkel jár ott, ahol fontos a műanyagokban lévő feszültségek valós idejű nyomon követése. A károsodáselemzésnek ez az új formája hamarosan a gyakorlati alkalmazásokban is megjelenhet” – magyarázza Michael Sommer. A polimer anyagokban lévő feszültségek vizualizálásának és számszerűsítésének képessége teljesen új távlatokat nyit a műanyag alkatrészek fejlesztése, ellenőrzése és optimalizálása előtt a különböző alkalmazási területeken.
A Chemnitzi Műszaki Egyetem tudósai a mostani kutatómunkájukban, amelyet nemrég publikáltak az Angewandte Chemie című folyóiratban, továbbfejlesztették a molekuláris torziós rugók koncepcióját, és lehetővé tették az erők kísérleti kalibrálását. Ez a megközelítés lehetővé teszi a különböző műanyagokban ható erők nagyságának optikai meghatározását. „A műanyagokban ható erők puszta vizualizációjától és elméleti számításától a kísérletileg közvetlenül mért erőkig való átmenet jelentős előrelépés” – mondja Michael Sommer. A kutatók ezt úgy érték el, hogy különbözőképpen működő mechanofórokat használtak, amelyek viselkedése bizonyos mechanikai igénybevételek mellett összehasonlítható egymással. Így pontosan meg tudták határozni a molekuláris szinten ható erőket.
A műanyagok megértése: a szakító- és nyomóerők elemzése
A vizsgálatok középpontjában eddig főként a műanyagokban fellépő húzóerők elemzése állt. Az, hogy a külső nyomóerők milyen mértékben határozhatók meg megbízhatóan és mennyiségileg, még a jövőbeni kutatások tárgya. A megszerzett ismeretek azonban már most szilárd alapot képeznek a polimer anyagokban ható erők mélyebb megértéséhez. A Német Kutatási Alapítvány (DFG) által nemrégiben finanszírozott projekt keretében Michael Sommer kutatócsoportjai további kísérleteket fognak végezni Günter Reiter (polimerfizika) és Michael Walter (elmélet) csapataival együtt a Freiburgi Egyetemen. A cél a mikroszkopikus erőeloszlások vizsgálata különböző műanyagokban, és a 3D-nyomtatott alkatrészek bevonása az elemzésekbe.
Az időben és térben felbontott erőeloszlások megjelenítését korábban csak elméletileg lehetett modellezni. A molekuláris torziós rugók használata egyedülálló lehetőségeket kínál a mikroszkopikus betekintésre, ami forradalmasíthatja a műanyagok öregedésének és károsodásának elemzését” – magyarázza Michael Sommer. A kutatás eredményei javíthatják a műanyagok mechanikai tulajdonságainak alapvető megértését, és új megközelítéseket nyithatnak a hatékonyabb és tartósabb polimeranyagok kifejlesztéséhez. A jövőben a megszerzett ismeretek segíthetnek optimalizálni a műanyag alkatrészek rugalmasságát és megbízhatóságát az alkalmazások széles körében.
A doktorandusz tudományos hozzájárulása a polimerkutatáshoz
Michael Sommer kiemeli Raphael Hertel kivételes tudományos hozzájárulását, aki a Polimerkémia Tanszék doktoranduszaként kulcsszerepet játszott a kísérletek megtervezésében és lebonyolításában. „Mindig nagy öröm látni, hogy valaki a munkacsoportból ilyen sikeresen dolgozik önálló projekteken” – mondja Sommer. Raphael Hertel eredménye kiemeli a Chemnitzi Műszaki Egyetemen folyó kutatás és oktatás színvonalát, és megmutatja, hogy a fiatal tudósok kreativitásukkal és elkötelezettségükkel hogyan járulhatnak hozzá a polimerkémia fejlődéséhez.
