Ny smart polymer lyser klarere, når den strækkes

Forskere fra Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har skabt en stress-detekterende "smart" polymer, der skinner klarere, når den strækkes. Forskere håber at kunne bruge den nye polymer til at måle ydeevnen af ​​syntetiske polymerer og spore slid på materialer, der bruges i ingeniør- og byggeindustrien.

Forskerne udviklede denne polymer ved at inkorporere kobberkomplekser-strukturer dannet ved at koble kobberatomer til organiske (kulstofholdige) molekyler-i en polymer kaldet polybutylacrylat, som er lavet af et kemikalie, der bruges til at syntetisere akrylmaling, klæbemidler og tætningsmidler.

Kobberkomplekserne, som binder polybutylacrylatkæderne sammen, gløder naturligt, når de udsættes for ultraviolet lys - en egenskab kendt som fotoluminescens. Men når polymeren strækkes, kobberkomplekserne udsender lys med en større intensitet, fører til en lysere glød. Kobberkomplekserne fungerer derfor som mekanophorer - forbindelser, der undergår en forandring, når de udløses af en mekanisk kraft.

De fleste mekanophorer er ikke lavet af metaller som kobber, men fra organiske forbindelser, som skifter farve eller udsender lys, når mekanisk stress bryder en svag kemisk binding. Men mekanophorer, der bruger denne bindingsbrydende mekanisme, har alvorlige begrænsninger.

"Der kræves en relativt stor kraft for at bryde den kemiske binding, så mekanoforen er ikke følsom over for små mængder stress, " sagde Dr. Ayumu Karimata, første forfatter til undersøgelsen og en postdoktor fra OIST Coordination Chemistry and Catalysis (CCC) Unit, ledet af professor Julia Khusnutdinova. "Også, processen med at bryde bindingen er ofte irreversibel, og derfor kan disse stresssensorer kun bruges én gang."

I modsætning, de nye kobbermekanophorer udviklet af CCC-enheden er følsomme over for meget mindre spændinger og kan reagere hurtigt og reversibelt. I undersøgelsen, udgivet i Kemisk kommunikation , forskerne rapporterede, at polymerfilmen straks blev lysere og dæmpet som reaktion på at blive strakt og frigivet.

Forskerne brugte et CCD -kamera til direkte at visualisere ændringerne i lysstyrke, da polymeren blev strakt og frigivet. Den falske farve rød repræsenterer høj lysintensitet, og den falske farve blå repræsenterer lav lysintensitet.

Lyser på mekanismen

Fotoluminescerende forbindelser, såsom disse kobberkomplekser, har længe været et emne af interesse for CCC-enheden. Inden polymeren fremstilles, forskerne syntetiserede isolerede kobberkomplekser af varierende størrelse.

Holdet fandt ud af, at kobberkomplekserne var meget dynamiske, konstant forvrænger i form. Men da de steg i størrelse, kobberkomplekserne blev mindre fleksible og lyste klarere. CCC -enheden mener, at jo større, mindre fleksible komplekser frigiver lys mere effektivt, fordi deres bevægelse er begrænset, og de mister derfor mindre energi som varme.

The researchers realized they could exploit the relationship between the flexibility of the copper complexes and brightness to create a stress-detecting polymer.

"When the copper complexes are incorporated into the polymer as cross-links, the act of stretching the polymer also reduces the flexibility of the molecules, " explained Karimata. "This causes the copper complexes to luminesce more efficiently with greater intensity."

Although still a long way off, Dr. Karimata hopes that the acrylic polymer could eventually be adapted to create a stress-sensing acrylic paint. This could have valuable applications as a coating for different structures, such as bridges or the frames of cars and aircraft.

"As we can see even from the direct visualization of the polymer, stress is applied across a material in a non-uniform way, " said Karimata. "A stress-sensing paint would allow hotspots of stress on a material to be detected and could help prevent a structure from failing."