Легкая конструкция нашла свое применение во многих областях, особенно в автомобилестроении, судостроении и авиастроении. В дополнение к традиционным легким металлам, таким как алюминий, магний или титан, для несущих конструкций все чаще используются композитные материалы. Это обусловливает одновременную необходимость разработки новых методов для раннего обнаружения повреждений или даже возможного выхода из строя таких еще недостаточно изученных материалов.

Исследователи из группы комплексных материалов в ETH Zurich, работающие в сотрудничестве с исследователями из Университета Фрибурга, теперь применили подход, который недавно привлек внимание в области исследований материалов: они создали легкий материал, который использует изменение цвета для обозначения внутренней деформации и, следовательно, возможного разрушения материала на ранней стадии. Ламинат, состоящий из отдельных слоев, полупрозрачен, устойчив к разрыву и в то же время очень легок.

Искусственный перламутр в сочетании с полимером

Ламинат состоит из чередующихся слоев пластичного полимера и искусственного перламутра. Последнее является специальностью Лаборатории комплексных материалов и смоделировано на биологическом примере раковины мидии. Он состоит из бесчисленных стеклянных пластинок, расположенных параллельно, которые уплотняются, спекаются и затвердевают с использованием полимерной смолы. Это делает его чрезвычайно твердым и устойчивым к разрыву.

Второй слой состоит из полимера, к которому исследователи добавили индикаторную молекулу, синтезированную специально для этого применения в Университете Фрибурга. Молекула активируется, как только полимер испытывает растягивающие силы, и это изменяет его флуоресценцию. Чем больше материал растягивается и чем больше этих молекул активируется, тем интенсивнее становится флуоресценция.

Флуоресценция указывает на перенапряженные детали

"Мы использовали флуоресцентные молекулы, потому что вы можете очень хорошо измерить увеличение флуоресценции и вам не нужно полагаться на субъективное восприятие", - говорит Томмазо Магрини, ведущий автор исследования, которое недавно было опубликовано в журнале Применяемые материалы и интерфейсы ACS. Система также могла быть настроена таким образом, чтобы производить изменение цвета, которое было бы непосредственно заметно снаружи. Но: "Восприятие цветов субъективно, и трудно делать выводы об изменениях в материале", - говорит Магрини.

С помощью флуоресценции исследователи теперь могут идентифицировать области повышенного напряжения внутри композитного материала еще до образования трещин. Это позволяет на ранней стадии обнаружить уязвимые места в конструкции до того, как произойдет катастрофический отказ. Одно из возможных применений нового ламината заключается в компонентах несущих конструкций зданий, самолетов или транспортных средств, где важно обнаружить их поломку на ранней стадии.

Однако еще предстоит выяснить, можно ли производить этот материал в промышленных масштабах и каким образом. Пока он существует только в лабораторном масштабе в качестве доказательства концепции.