Faszination Technik Wie mit Rostpartikeln Materialtemperaturen überwacht werden können

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein magnetischer Temperaturindikator, dessen zentraler Bestandteil Rost ist.

Die Überwachung der Temperatur ist bei vielen Dingen wichtig – ob bei technischen Prozessen, für die Qualität von Lebensmitteln und Medikamenten oder für die Lebenszeit von Elektronikbauteilen und Batterien. Hierzu erfassen Temperaturindikatoren unerwünschte Temperaturerhöhungen, die später ausgelesen werden können. Besonders attraktiv sind Temperaturindikatoren, die aufgrund ihrer geringen Größe leicht in beliebige Objekte integriert werden können und anschließend die Temperaturhistorie des Objekts autonom überwachen.

Forschenden der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Karl Mandel, Professur für Anorganische Chemie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), ist es nun gelungen, einen neuartigen Temperaturindikator in Form eines mikrometergroßen Partikels zu entwickeln, dessen zentraler Bestandteil Rost ist.

Das Potential von Rost zu Nutze machen

Einer Mitteilung der FAU zufolge werden für die Herstellung der Temperaturindikatoren zunächst winzige Rost-Teilchen, sogenannte Eisenoxid-Nanopartikel, hergestellt. Diese werden anschließend zusammen mit kommerziellen Polymeren zu größeren Nanokompositpartikel weiterverarbeitet. Im letzten Prozessschritt werden viele hunderte Nanokompositpartikel über ein Sprühtrocknungsverfahren zu ca. 1-20 Mikrometer-großen Suprapartikeln zusammengesetzt. Die resultierenden kugelförmigen Suprapartikel weisen eine komplexe, multi-hierarchische Nanoarchitektur auf. In dieser fungieren die Rost-Teilchen als magnetische Signalträger und die Polymere als temperaturempfindliche Komponente, heißt es.

Die Funktionsweise der Suprapartikel

Durch kurzzeitige Temperaturerhöhungen erweichen die Polymere. Diese irreversiblen Strukturänderungen führen laut FAU zu magnetischen Wechselwirkungsänderungen innerhalb und zwischen den hierarchischen Unterstrukturen der Suprapartikel, die unterscheidbar sind und den Temperaturanzeigemechanismus definieren. Dabei wird aber keine Temperaturüberwachung in Echtzeit wie mit einem Thermometer durchgeführt. Stattdessen speichert der Temperaturindikator die in der Vergangenheit jemals erreichte Höchsttemperatur zwischen 40 und 170 Grad Celsius.

Die Vorteile des neuartigen Temperaturindikators

Nach Angaben der FAU hat der neue Temperaturindikator entscheidende Vorteile gegenüber bisherigen Indikatoren: Er ist aufgrund seiner geringen Größe flexibel in beliebige Objekte integrierbar und aus reichlich vorhandenen Materialien kostengünstig herzustellen. Der modulare Aufbau ermögliche es, den Indikator spezifisch für eine bestimmte Anwendung einzustellen. Die Magnet-Partikel-Spektroskopie (MPS) erlaube die gespeicherten Informationen der Temperaturindikatoren auch in der Tiefe eines dunklen Objekts oder hinter einer undurchsichtigen Beschichtung auszulesen. Da eine Speicherung von Höchsttemperaturen innerhalb eines Bereiches erfolgt, eigne sich der neue Temperaturindikator insbesondere zur Rückverfolgung der Temperaturhistorie eines Materials. Dies alles sei mit aktuell verwendeten Indikatoren nicht möglich.

Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

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