Polymer lyser reversibelt hvidt, når det strækkes

Forskere ved University of Fribourgs Adolphe Merkle Institute (AMI) og Hokkaido University i Japan har udviklet en metode til at skræddersy egenskaberne af stress-indikerende molekyler, der kan integreres i polymerer og signalbeskadigelser eller for store mekaniske belastninger med et optisk signal.

Som en del af deres forskningsaktiviteter inden for National Center of Competence in Research Bio-inspired Materials, Professor Christoph Weder, formand for polymerkemi og materialer ved AMI, og hans team undersøger polymerer, der ændrer deres farve eller fluorescensegenskaber, når de placeres under mekanisk belastning. Den fremherskende tilgang til at opnå denne funktion er baseret på specifikt designede sensormolekyler, der indeholder svage kemiske bindinger, der brydes, når den påførte mekaniske kraft overstiger en vis tærskel. Denne effekt kan forårsage en farveændring eller andre foruddefinerede reaktioner. En grundlæggende begrænsning af denne tilgang, imidlertid, er, at de svage bindinger også kan bryde ved udsættelse for lys eller varme. Denne mangel på specificitet reducerer den praktiske anvendelighed af stress-indikerende polymerer. Det gør normalt også effekten irreversibel.

Løsning af dette problem, Weder og Dr. Yoshimitsu Sagara – en japansk forsker, der tilbragte to år i Weders gruppe på AMI, før de kom til Hokkaido Universitet som adjunkt – udtænkte en ny type sensormolekyle, der kun kan aktiveres ved mekanisk kraft. I modsætning til tidligere krafttransducerende molekyler, ingen kemisk bindingsbrud finder sted. I stedet, de nye sensormolekyler består af to dele, der låser mekanisk sammen. Denne sammenkobling forhindrer adskillelse af de to dele, samtidig med at de stadig kan skubbes sammen eller trækkes væk fra hinanden. Sådanne molekylære skub og træk får molekylets fluorescens til at ændre sig fra off til on.

I en ny publikation i open access-tidsskriftet ACS Central Science , Weder, Sagara, og deres medarbejdere rapporterer, at dette nye koncept er robust og alsidigt. "Designtilgangen gør det muligt at skræddersy egenskaberne af sådanne sensormolekyler, da deres adfærd er ret forudsigelig, " forklarer Weder. "Vi valgte at demonstrere dette ved at tackle materialer, der viser hvid fluorescens, når de strækkes, " tilføjer Sagara. "Mekanoresponsiv hvid fluorescens er generelt vanskelig at opnå. Det kræver en kombination af tre sensormolekyler med foruddefinerede emissionsfarver:blå, grøn, og rød (eller orange). Ud over, sensormolekylerne skal også udvise en lignende reaktion på mekanisk stress for at opnå ON/OFF-skift af hvid emission, når de blandes."

Som tiltænkt, polymerer, der indeholder de nye motiver, fluorescerer ikke i fravær af mekanisk kraft, men de bliver klart fluorescerende - røde, grøn, eller blå, når der kun bruges én type sensormolekyle, hvide, når de kombineres - når de strækkes. Fordi ingen kemiske bindinger brydes, processen er også fuldt reversibel. Dermed, da de nye sensormolekyler blev inkorporeret i en elastisk polymer, fluorescensen blev tændt, når materialet blev strakt, og slukket, når kraften blev fjernet, og materialet trak sig sammen. I øvrigt, fluorescensintensiteten, eller lysstyrke, viste sig at korrelere med omfanget af deformation.

Potentielle anvendelser for sådanne materialer omfatter indbyggede skærme, der sender visuelle advarselsskilte, før en del svigter, eller som gør det muligt for ingeniører at kortlægge spændinger i dele under belastning og hjælpe dem med at designe disse bedre. Sensormolekylerne lover også at være nyttige til fundamentale, undersøgelser på molekylært niveau af stress-overførselsmekanismer i syntetiske materialer såvel som i biologiske systemer.

Det schweizisk-japanske team samarbejder i øjeblikket om yderligere at forenkle designet for en udvidelse af konceptet til materialer, der ændrer deres farve, i stedet for deres fluorescens. Sådanne motivers reaktion kunne inspiceres uden nogen hjælpemidler og ville således være mere anvendelige til praktiske anvendelser.