Wie die Spektrophotometrie mechanochromen Polymeren helfen kann, ihr Potenzial auszuschöpfen

Forscher sind auf dem Weg, einen mechanochromen Helm zu entwickeln, der Sportler vor einem möglichen Hirntrauma warnen könnte. Bildquelle: Flickr-Benutzer Erik Drost

Von Zeit zu Zeit erinnern uns neue Innovationen an das außergewöhnliche Potenzial der Farbtechnologie. Das war vor kurzem der Fall, als eine Gruppe von Forschern der Universität von Pennsylvania ein dynamisches neues Material entwickelte, das bei bestimmten Krafteinwirkungen Farbveränderungen hervorruft. Durch die Anwendung von Mechanochromie - der Fähigkeit, die Farbe als Reaktion auf mechanische Stimuli zu verändern - auf Kopfbedeckungen könnte das farbverändernde Material mögliche Verletzungen sofort erkennen und die Benutzer warnen, sich in Behandlung zu begeben. In einer Zeit, in der die Besorgnis über traumatische Kopfverletzungen beim Amateur- und Profisport, bei Kämpfen und anderen gefährlichen Aktivitäten zunimmt, bietet diese innovative Anwendung des mechanochromen Phänomens neue Möglichkeiten für frühzeitige Interventionen, die letztlich Leben retten könnten.1

Die Ermittlung des Verhältnisses zwischen Aufprallstärke und dem Potenzial für Hirnverletzungen ist der nächste Schritt auf dem Weg zur Realisierung mechanochromer Helme. Bildquelle: Flickr-Benutzer Allan Ajifo

Auf dem Weg zu intelligenteren Polymeren

Die Forscher unter der Leitung des Chemikers Shu Yang arbeiteten zunächst mit holografischer Lithografie, um photonische Kristalle zu erzeugen, deren Farben mit ihrer Form variieren, um ein funktionierendes Modell der stoßabhängigen Farbänderung zu erstellen. Dies war jedoch nur der erste Schritt. Da die holografische Lithografie zu teuer ist, nutzten sie das Modell, um wirtschaftlichere Produktionsmethoden zu entwickeln. Weitere Forschungen führten zur Entwicklung von Materialien auf Polymerbasis, die das Verhalten von photonischen Kristallen zu wesentlich geringeren Kosten nachahmen können.

Zunächst formten sie das Polymer zu einer Struktur, die den photonischen Kristallen ähnelt. Eine Form besteht aus gemischten Siliziumdioxidpartikeln unterschiedlicher Größe. Die Kristalle fügen sich dann zu den gewünschten Mustern zusammen. Sie erhitzten das Polymer in der Form, ließen es erstarren und entfernten dann das Siliziumdioxid, um umgekehrte Polymerkristalle zu erzeugen.2

Die spezifische Art der Farbveränderung misst die Stärke des Aufpralls und erzeugt deutliche und wiederholbare Farbverschiebungen als Reaktion auf bestimmte Stärkegrade. Zum Beispiel:

Ein Fall, bei dem eine Farbveränderung aufgrund von Krafteinwirkung festgestellt wurde, war die Einwirkung von 30 mN auf die Polymerkristalle, die sich von rot nach grün veränderten. Das ist so stark wie eine Limousine, die mit 80 Meilen pro Stunde gegen eine Backsteinmauer prallt. Bei 90 mN, einer Kraft, die der eines rasenden Lastwagens entspricht, der ebenfalls gegen dieselbe Wand fährt, färben sich die Polymerkristalle lila.

Es muss noch mehr geforscht werden, um die Beziehung zwischen der Aufprallkraft und dem Hirntrauma zu quantifizieren und die volle Funktionalität des Materials zu ermöglichen. Wenn ein voll funktionsfähiges mechanochromes Warnsystem implementiert werden kann, wird der Schutz von Sportlern, Abenteurern und Arbeitern in gefährlichen Berufen wirklich revolutioniert.

Das Potenzial des Mechanochromismus ausbauen

Die Möglichkeiten mechanochromer Polymere sind nicht nur theoretisch; diese bemerkenswerten Materialien werden bereits in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, die der Verbesserung von Gesundheit und Sicherheit dienen. Durch die Integration mechanochromer Polymere in verschleißanfällige Gegenstände kann der Benutzer leicht feststellen, ob sie ersetzt werden müssen. Das Smart Structures Research Institute hat beispielsweise ein Kletterseil entwickelt, das den Benutzer darauf hinweisen kann, dass es aufgrund seiner Beanspruchung nicht mehr sicher ist, und auch Forscher in der Luft- und Raumfahrtindustrie haben diese bemerkenswerten Materialien eingesetzt, um einen drohenden Ausfall der Ausrüstung zu erkennen.3 Die Sorge um Manipulationen und Fälschungen in der pharmazeutischen Industrie hat einige Unternehmen dazu veranlasst, mechanochrome Verpackungselemente einzubauen, die den Benutzer vor möglichem Fehlgebrauch warnen, und die Hersteller zerbrechlicher und instabiler Materialien und Stoffe bauen mechanochrome Warnsysteme ein, um Überlastungszustände anzuzeigen. Derzeit wird an zahllosen weiteren Anwendungen geforscht, die die Art und Weise, wie wir leben, arbeiten und spielen, verändern werden.

Spektralphotometer spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung farbverändernder Polymere, da sie eine präzise Analyse der Farbqualität und des Verhaltens als Reaktion auf Stimuli ermöglichen. Bildquelle: Flickr-Benutzer Brett Jordan

Höchste Kontrolle der Farbqualität

In den kommenden Jahren wird die Entwicklung eines noch vielfältigeren Spektrums mechanochromer Polymere notwendig sein, um die Nachfrage zu befriedigen, da die Akteure in allen Branchen das Potenzial intelligenter Materialien erkennen. Wenn diese hochentwickelten Kunststoffe für kritische Gesundheits- und Sicherheitszwecke eingesetzt werden, sind Farbkonsistenz, Genauigkeit und Vorhersagbarkeit absolut unerlässlich, um eine optimale Funktion zu gewährleisten. Die hochentwickelten Farbmessmöglichkeiten der Spektralphotometrie bieten ein unschätzbares Analysewerkzeug für Forscher und Hersteller, die neue mechanochrome Materialien, sowohl auf Farbstoffbasis als auch strukturell, entwickeln wollen. Durch die objektive Quantifizierung von Farbdaten ermöglichen Spektralphotometer eine präzise Beobachtung des Farbverhaltens als Reaktion auf bestimmte Reize und geben Ihnen die Informationen, die Sie benötigen, um das Polymerdesign, die Farbstoffformulierungen und die Gebrauchsanweisungen sorgfältig anzupassen. Die Leistungsfähigkeit der Spektralanalyse gibt Ihnen beispiellose Möglichkeiten des Farbmanagements an die Hand, um ein Höchstmaß an ästhetischer Qualität und Funktionalität bei mechanochromen Polymeren zu erreichen und das Potenzial dieser aufregenden Materialien wirklich zu erschließen.

HunterLab ist seit über 60 Jahren ein Pionier auf dem Gebiet der Farbmessung. Unser innovatives Angebot an spektralphotometrischen Instrumenten ermöglicht Ihnen die ultimative Farbqualitätssicherung zur Erleichterung von Forschung, Entwicklung und Fertigung, unabhängig davon, ob Sie mit traditionellen oder hochmodernen Materialien arbeiten. Mit einer umfassenden Auswahl an tragbaren, Tisch- und Inline-Instrumenten bieten wir Ihnen die Werkzeuge, die Sie für die Umsetzung Ihrer Visionen benötigen. Kontaktieren Sie uns, um mehr über unsere renommierten Spektralphotometer, hervorragenden Softwarepakete und erstklassigen Kundendienstleistungen zu erfahren.