Une équipe de recherche dirigée par le Prof. Dr. Michael Sommer, Chaire de chimie des polymères à l'Université de technologie de Chemnitz, et PD Dr Michael Walter, chef de projet au Pôle d'Excellence Vivre, Adaptatif, et systèmes de matériaux autonomes en énergie (livMatS) à l'Université de Fribourg, a réussi à construire une nouvelle molécule de colorant dans le domaine des mécanophores.

Grâce à cette molécule, des contraintes d'amplitude différente dans les composants en plastique peuvent être visualisées en continu par des changements de couleur. Le concept de ces colorants n'est pas nouveau, mais la plupart des mécanophores antérieurs étaient capables d'indiquer uniquement la présence ou l'absence de contraintes dans les plastiques. Les recherches en cours permettent maintenant de différencier des contraintes de différentes amplitudes. Cela ajoute de grands avantages chaque fois qu'il est important de cartographier les distributions de contraintes dans les composants plastiques macroscopiques pour surveiller l'intégrité du matériau à tout moment. L'équipe de recherche fait maintenant un pas de plus dans le développement de cette forme efficace d'analyse des déformations et des dommages, le rapprocher des applications pratiques.

Les résultats de l'étude ont été publiés dans la revue Communication Nature le 9 juillet 2021.

Le ressort moléculaire montre la force de la charge en termes de couleur

Comme le rapportent les chercheurs dans leur publication, en combinant un colorant de conception moléculaire avec un et, par dessus tout, plastique non cassant, les forces macroscopiques peuvent maintenant être ramenées à l'échelle moléculaire. Ces forces agissantes peuvent être, par exemple, pression ou tension externe.

La molécule de colorant "sent" ainsi la force agissant à l'intérieur des composants plastiques et continue d'indiquer des changements de force en augmentant les changements de couleur. Si la charge externe est retirée, la molécule de colorant revient dans son état d'origine. C'est pourquoi ce colorant est appelé « ressort moléculaire » — il s'étire et « ressort » — en fonction de la tension extérieure.

Par rapport aux commutateurs moléculaires existants qui traduisent le stress dans les plastiques en changeant de couleur, les avantages ici résident clairement dans la cartographie continue des forces de différentes amplitudes ainsi que dans le comportement élastique de la molécule, qui peut ainsi être utilisé encore et encore.

Meilleures propriétés mécaniques—meilleure compréhension et application de l'amortissement

"C'est une étape audacieuse vers la visualisation directe des contraintes résiduelles externes des plastiques avec des méthodes analytiques simples, ce qui est d'une grande aide pour le développement ultérieur de matériaux aux propriétés mécaniques améliorées fabriqués par, par exemple, impression en 3D, " résume le Pr Michael Sommer.

Mais cela pourrait aussi permettre une compréhension plus fondamentale des propriétés d'amortissement des matériaux synthétiques et des systèmes naturels :par exemple, il y a des fruits gros et lourds qui tombent des arbres de grande hauteur mais restent intacts. La nature sert ici de modèle, et les ressorts moléculaires pourraient aider à mieux comprendre et imiter de tels systèmes.

Les efforts futurs se concentreront donc sur l'adaptation des ressorts à force moléculaire pour une utilisation dans divers plastiques. Cela nécessitera des efforts conjoints avec d'autres groupes de recherche et l'utilisation de méthodes assistées par ordinateur.