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Nanokristalle machen Schäden im Material sichtbar

Materialversagen wird vorhersehbar

Aufnahme der Zinkoxid-Kristalle mit dem Rasterelektronenmikroskop - Copyright 2012, Wiley
Aufnahme der Zinkoxid-Kristalle mit dem Rasterelektronenmikroskop - Copyright 2012, Wiley

Forschung

Ein feiner Riss in einem Metallrad verursachte das bisher verheerendste Zugunglück in Deutschland, 1998 in Eschede. Das Problem: Schäden im Material lassen sich von außen kaum erkennen. Wissenschaftlern gelang es jetzt, Materialermüdung sichtbar zu machen: Sie stellten ein neues Kunststoffmaterial her, das unter hoher Belastung aufleuchtet. 

„Die Lumineszenz von mikrostrukturierten Zinkoxid-Tetrapoden ist eine etablierte aber äußerst interessante Eigenschaft, die sich unter mechanischer Belastung verändert. Uns wurde schnell klar, dass man damit innere Materialschäden sichtbar machen könnte“, sagt Dr. Yogendra Mishra von der Technischen Fakultät der CAU. Das Forschungsteam hatte Zinkoxidtetrapoden mit einem Silikonpolymer (Polydimethylsiloxan) vermischt und die Eigenschaften des so entstandenen Kompositmaterials untersucht. Sie fanden heraus, dass das Silikonmaterial durch die Zinkoxidkristalle nicht nur fester wird, sondern auch ein ungewöhnliches Lichtreflexionsverhalten aufweist. Unter mechanischer Belastung und Bestrahlung mit UV-Licht verändern sich die Intensität und Farbe des reflektierten Lichts. 

Nano-Kristalle geben Warnsignal

„Die Mikro-Nano-Kristalle geben eine Art optisches Warnsignal, wenn das Kompositmaterial durch Belastung zu versagen droht“, erläutert die Doktorandin Xin Jin. Die Veränderung der Leuchteigenschaften von definierten Halbleiter-Mikrostrukturen durch mechanische Beanspruchung, wie wir es für die Zinkoxid-Tetrapoden erstmalig gezeigt haben, könnte auch für viele andere Leuchtstoffsysteme von Bedeutung sein“, ergänzt Professor Cordt Zollfrank, der das Fachgebiet biogene Polymere an der TUM leitet. „Wir erwarten weitere spannende Entwicklungen auf dem Gebiet der ‚self-reporting materials’“.

Kompositpolymere werden in zahlreichen Bereichen eingesetzt – von Zahnimplantaten bis hin zu Raumfahrzeugen. Sie bestehen aus zwei oder mehr Ausgangsmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften, zum Beispiel Silikon und Zinkoxid, die im Materialverbund bessere Eigenschaften haben. Je nach Bedarf können sie besonders leicht, mechanisch robust und preiswert herstellbar designed werden. Professor Rainer Adelung, Leiter der Studie, betont: „Zinkoxidkristalle sind offenbar eine exzellente Komponente für zahlreiche spezielle Kompositmaterialien – auch in Konstruktionen, von deren Stabilität das Überleben von Menschen abhängt.“

Originalpublikation: 
Xin Jin, Michael Götz, Sebastian Wille, Yogendra Kumar Mishra, Rainer Adelung, Cordt Zollfrank (2012): A novel concept for self-reporting materials: Stress sensitive photoluminescence in ZnO tetrapod filled elastomers, Advanced Materials, doi: adma.201203849

Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Sonderforschungsbereiche 677 und 855 gefördert. 

Kontakt:
Prof. Dr. Rainer Adelung
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Tel.: +49 431 880-6116
E-Mail: ra@tf.uni-kiel.de

Prof. Dr. Cordt Zollfrank 
Technische Universität München
Tel: +49 9421 187-450
E-Mail: cordt.zollfrank@tum.de
http://www.wz-straubing.de

Presse-Bilder zum Download:

Aufnahme der Zinkoxid-Kristalle mit dem Rasterelektronenmikroskop - Copyright 2012, Wiley; veröffentlicht mit freundlicher Genehmigung (DOI:10.1002/adma.201203849)
Aufnahme der Zinkoxid-Kristalle mit dem Rasterelektronenmikroskop - Copyright 2012, Wiley; veröffentlicht mit freundlicher Genehmigung (DOI:10.1002/adma.201203849)
Aufbau des Experiments: Das Kompositmaterial wird  gedehnt und gleichzeitig mit Licht bestrahlt. Mit einem Sensor wird dabei die reflektierende Farbe gemessen. Copyright 2012, Wiley; veröffentlicht mit freundlicher Genehmigung (DOI:10.1002/adma.201203849)
Aufbau des Experiments: Das Kompositmaterial wird gedehnt und gleichzeitig mit Licht bestrahlt. Mit einem Sensor wird dabei die reflektierende Farbe gemessen. Copyright 2012, Wiley; veröffentlicht mit freundlicher Genehmigung (DOI:10.1002/adma.201203849)