Twist and shine:Udvikling af et nyt fotoluminescerende sensormateriale

Stresssensorer er vigtige værktøjer, når det kommer til at vurdere robustheden af ​​et materiale, der står over for stærke mekaniske kræfter. OIST-forskere har netop offentliggjort i Avancerede materialer en artikel, der rapporterer om en ny slags sensormolekyler, der lysner op, når materialet, de er inkorporeret i, kommer under kraftig mekanisk belastning.

Sådanne lysbaserede sansemolekyler, også kaldet fotoluminescerende mekanophorer, er ikke nye, men i øjeblikket tilgængelige applikationer er kun engangsbrug. De vil typisk involvere en stærk kraft - komprimering, vridning eller strækning for eksempel - bryde en specifik kemisk binding mellem to atomer eller irreversibelt trække to molekylære mønstre fra hinanden i detsende molekyle, ændring af bølgelængden - og dermed farven - af lyset, der udsendes af mekanophoren. Når disse molekyler radikalt har ændret deres struktur som reaktion på denne kraft, det er ekstremt svært at vende tilbage til udgangssituationen. Mens disse mekanophorer er nyttige til at forstå de mekaniske egenskaber af en genstand eller et materiale, de egner sig ikke godt til gentagen udsættelse for mekanisk belastning.

For at overvinde dette problem, Dr. Georgy Filonenko og prof. Julia Khusnutdinova fra Coordination Chemistry and Catalysis Unit designede en fotoluminescerende mekanophor, der bevarer sine egenskaber over tid og under gentagne forekomster af mekanisk stress. Forskerne inkorporerede det stress-sensing molekyle i et almindeligt polymermateriale kaldet polyurethan, meget brugt til hverdagsting fra madrasser og puder til oppustelige både, bil interiør, træbearbejdningslim og endda spandex.

Forskerne strakte derefter det resulterende materiale med stigende kraft, udløser en tilsvarende kraftigere glød under et ultraviolet lys. Reaktionen sker inden for hundreder af millisekunder, hvilket resulterer i en op til to gange stigning i luminescensintensitet. Når den mekaniske trækkraft stopper, polymermaterialet og mekanophoren vender tilbage til deres udgangsposition, formindskelse af lysudlæsningen. Dette er kritisk, da det giver mulighed for gentagne anvendelser af mekanisk kraft.

Denne nye mekanophor er en fotoluminescerende forbindelse fra nyligt offentliggjort arbejde af Dr. Filonenko og Prof. Khusnutdinova. På trods af sin meget enkle struktur er blandingen ekstremt lydhør over for det fysiske miljø, som har en direkte indvirkning på farven, der er synlig med det blotte øje under et UV-lys. Disse molekyler blev inkorporeret direkte i polymermaterialets gentagne mønstre.

Den høje mobilitet af mekanophor-molekylerne i polymeren viste sig at være nøglen til sensorens ydeevne. Da mekanophorer bevægede sig hurtigt i den afslappede polymerprøve, emissionens lysstyrke var lav på grund af disse molekylære bevægelser, der forhindrede mekanophoren i at udsende lys. Imidlertid, udsættelse af materialet for mekanisk kraft bremsede effektivt polymerkædens bevægelser, gør det muligt for mekanophoren at udsende lys mere effektivt.

"Vores materiale viser, hvordan en makroskopisk kraft, lige så grundlæggende som at strække en fleksibel tråd af materiale, kan effektivt udløse mikroskopiske ændringer helt ned til isolerede molekyler, " kommenterede Dr. Filonenko.