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Rotes Licht steht für Druck

Forscher des Institute of Industrial Science der Universität Tokio und der Yokohama City University haben neuartige organische Kristalle eingeführt, die bei mechanischer Belastung ihre Farbe ändern und bei Entlastung spontan in ihre ursprüngliche Form und zu ihrem ursprünglichen Farbton zurückkehren – eine Eigenschaft, die sie als Superelastochromie bezeichnen. Diese Materialien können verwendet werden, um Sensoren für Scherkräfte herzustellen, zum Beispiel um Orte zu überwachen, die anfällig für Beschädigungen sind

a Chemische Grenzstrukturen der neuen superelastoochromen Verbindung 
b Fotos von YG- (oben) und YO- (unten) Kristallen unter Bestrahlung mit UV-Licht (365 nm).
c Emissionsspektren eines YG-Kristalls (gelb-grüne Linien) und eines YO-Kristalls (orange Linien) unter Anregung durch UV-Licht bei Raumtemperatur  (Abb.: Mutai, Takamizawa et al.)

Die Fähigkeit, Kräfte zu visualisieren, kann in vielen Branchen sehr nützlich sein, insbesondere in der Schwerindustrie und in der Schifffahrt. Zum Beispiel wäre ein farbwechselndes Material, das zeigt, wo Balken beansprucht werden, für Bauunternehmen großartig. Solche Geräte arbeiten jedoch oft einmal und müssen nach einmaligem Dehnen ausgetauscht werden.  Selbst elastische Materialien können bei zu starker Beanspruchung eine dauerhafte plastische Formänderung erfahren.

Jetzt hat ein Team ein neues organisches Material vorgestellt, das die Farbe seiner emittierten Fluoreszenz unter mechanischer Beanspruchung von grün nach rot ändert und sofort wieder in seine ursprüngliche Konfiguration zurückkehrt, wenn diese Beanspruchung beseitigt wird.

"Wir haben diese Eigenschaft 'Superelastochromie' genannt, weil die Farbänderungen auf vollständig reversible, dh elastische Änderungen der Anordnung der Moleküle im Material zurückzuführen sind", sagt der Erstautor Toshiki Mutai.

Basierend auf 7-Chlor-2- (2'-hydroxyphenyl) imidazo [1,2-a] pyridin (7Cl) bestehen die Kristalle aus Molekülen, die in zwei unterschiedlichen Konfigurationen vorliegen können. In beiden Zuständen ist ein Wasserstoffatom kovalent an ein Sauerstoffatom gebunden und wird nur schwach von einem nahe gelegenen Stickstoffatom angezogen.

Wenn das Material zusammengedrückt oder gebogen wird, wechselt die molekulare Anordnung in die andere Konfiguration. Dieser mechanisch gesteuerte Phasenübergang verändert die Wellenlängen des Lichts, das das Molekül als Fluoreszenz emittiert, wenn es von einer externen UV-Lichtquelle angeregt wird. Die Veränderung ist für das bloße Auge als Farbverschiebung von neongrün nach rötlich-orange deutlich zu erkennen. "Chromatische Veränderungen an Sensoren sind sehr wünschenswert, da sie von Menschen leicht gesehen und interpretiert werden können", sagt der leitende Autor Satoshi Takamizawa. "Wenn genauere Messungen erforderlich sind, kann die Spannungsmenge mithilfe der Spektroskopie quantifiziert werden."

Diese Entwicklung kann zu einer Vielzahl von "intelligenten" Materialsensoren führen. Beispielsweise könnte man solche Sensoren einsetzen, um den Zeitpunkt zu verfolgen, an dem mechanische Be- oder Entlastung erfolgt.

Originalpublikation: "A superelastochromic crystal", Nature Communications 11, article number: 1824 (2020), DOI: 10.1038 / s41467-020-15663-5.