Der Chamäleon-Kunststoff - Polymer verfärbt sich unter Druck

Durch eine mechanische Belastung kommt es zu chemischen Reaktionen zwischen den druckempfindlichen Molekülen

Chamäleon-Kunststoff verfärbt sich unter Zugspannung
Chamäleon-Kunststoff verfärbt sich unter Zugspannung

Urbana-Champaign (USA) - Ein schillerndes Rosa könnte in Zukunft vor drohenden Brüchen von Stahlträgern oder Betonkonstruktionen warnen. Die Grundlage für solche optischen Drucksensoren entwickelten nun Chemiker von der University of Illinois in Urbana-Champaign. In der Zeitschrift "Nature" berichten sie über einen Chamäleon-Kunststoff, der unter mechanischer Belastung zuverlässig seine Farbe ändert.

"Die Aktivierung von kovalenten Bindungen unter Druck kann zu neuen Werkstoffen mit vielseitigen Eigenschaften – von Warnsensoren bis zu selbstheilenden Materialien – führen", schreiben die Materialforscher um Nancy Sottos. Sie verknüpften gummiartige und feste Kunststoffe aus Polymethylacrylaten bei der Herstellung mit so genannten Spiropyranen. Diese Moleküle werden durch Licht, Ultraschall und auch einfachen Druckbelastungen zu chemischen Reaktionen angeregt. So verfärbt sich ein erstes Labormuster unter Druck- und Zugbelastungen von farblos zu einem kräftigen Rosa. Verantwortlich dafür ist das Zerbrechen bestehender und der Aufbau neuer kovalenter Bindungen zwischen den Atomen.

Drucksensoren, die durch Farbwechsel vor einem drohenden Bruch eines Werkstoffs warnen, bilden die naheliegendste Anwendung dieser neuen Kunststoffe. Aber im Unterschied zu bereits erhältlichen Sensor-Substanzen reichen die Möglichkeiten der durch mechanische Belastung verursachten chemischen Reaktionen weiter. So könnten nun auch Werkstoffe entwickelt werden, die sich unter Druck selbstständig versteifen und damit die Stabilität von Bauteilen vergrößern. Selbst Materialien, welche bereits entstandene Risse völlig selbstständig reparieren, sind mit diesen Prozessen vorstellbar. "Wissenschaftler aus vielen Disziplinen werden nur durch ihre Vorstellungskraft eingeschränkt, um Anwendungen für solche mechanisch aktiven Polymere zu entdecken", beurteilt Christoph Weder von der schweizerischen Universität Fribourg das Potenzial dieser neuen Materialien.