Il cambiamento di colore indica un danno nel materiale

La costruzione leggera ha trovato spazio in molti settori, soprattutto nella costruzione di veicoli, navi e aerei. Oltre ai classici metalli leggeri come l'alluminio, il magnesio e il titanio, i materiali compositi sono sempre più utilizzati nelle applicazioni portanti. Di conseguenza, è necessario sviluppare allo stesso tempo nuove tecniche e metodi per riconoscere tempestivamente i danni o addirittura i possibili cedimenti di questi materiali ancora non testati.

I ricercatori del Complex Materials Group dell'ETH di Zurigo, in collaborazione con quelli dell'Università di Friburgo, hanno adottato un approccio che è già stato oggetto di molte riflessioni nella ricerca sui materiali: Hanno creato un materiale leggero che utilizza un cambiamento di colore per indicare precocemente la deformazione interna e quindi il possibile cedimento del materiale. Il laminato, composto da singoli strati, è trasparente, resistente alla rottura e allo stesso tempo molto leggero.

Madreperla artificiale combinata con un polimero

Il laminato è composto da strati alternati di plastica (polimero) e madreperla artificiale. Quest'ultima è una specialità del Laboratorio per i materiali complessi e si basa sulla formazione preliminare del guscio di cozza. ? costituito da innumerevoli piastrine di vetro disposte in parallelo, che vengono compresse, sinterizzate e solidificate da una resina polimerica. Ciò lo rende estremamente duro e resistente alla rottura.

Il secondo strato è costituito da un polimero a cui i ricercatori hanno aggiunto una molecola indicatore sintetizzata appositamente per questa applicazione presso l'Università di Friburgo. Questa molecola viene attivata dalle forze di stiramento che si verificano nel polimero. Ciò modifica la sua fluorescenza. Più il materiale viene stirato e più queste molecole vengono attivate, più la fluorescenza diventa intensa.

La fluorescenza indica parti sovrasollecitate

"Abbiamo utilizzato molecole fluorescenti perché è possibile misurare molto bene l'aumento della fluorescenza e non è necessario affidarsi alla percezione soggettiva", spiega Tommaso Magrini, primo autore di uno studio corrispondente pubblicato di recente sulla rivista "ACS Applied Materials and Interfaces". Il sistema avrebbe potuto anche essere impostato con un cambiamento di colore direttamente percepibile dall'esterno. Ma: "La percezione dei colori è soggettiva ed è difficile trarre conclusioni sui cambiamenti nel materiale", sottolinea il ricercatore.

Con l'aiuto della fluorescenza, i ricercatori possono ora identificare le aree sovraccaricate all'interno del composito prima che si formino le fratture. Ciò consente di riconoscere precocemente le aree vulnerabili di una struttura prima che si verifichi un cedimento catastrofico. Una possibile applicazione del nuovo laminato è nelle strutture portanti, come gli Umwelt und Geomatik, gli aerei o i veicoli, dove i cedimenti devono essere individuati in una fase precoce.

Una questione in apertura, tuttavia, è se e come il materiale possa essere prodotto su scala industriale. Finora è stato disponibile solo su scala di laboratorio come prova di concetto.