Fluorescerende molekyle forråder nedbrydningen af ​​polymermaterialer

Nylon, gummi, silikone, Teflon, PVC - disse er alle eksempler på menneskeskabte polymerer - lange kæder af gentagne molekylære enheder, som vi kalder monomerer. Mens polymerer også findes i naturen (tænk uld, silke, eller endda hår), opfindelsen af ​​syntetiske polymerer, hvoraf den mest berømte er plastik, revolutionerede branchen. Lys, strækbar, fleksibel, dog stærk og modstandsdygtig, syntetiske polymerer er et af de mest alsidige materialer på planeten, bruges i alt fra tøj til bygning, emballage og energiproduktion. Siden begyndelsen af ​​denne nye æra inden for materialeteknik, forståelsen af ​​eksterne kræfters indflydelse på polymerers styrke og stabilitet har været afgørende for at evaluere deres ydeevne.

Når de udsættes for mekanisk belastning, de svage bindinger, der holder nogle polymerkæder sammen, overvindes, og man går uundgåeligt i stykker. Når dette sker, et frit radikal (et molekyle med en uparret elektron, som er naturligt ustabil og meget reaktiv, kaldet en "mekanoradikal" i dette tilfælde) genereres. Ved at estimere mængden af ​​producerede frie mekanoradikaler, vi kan udlede et materiales modstand til mængden af ​​spænding. Selvom dette fænomen er veldokumenteret, forskere kæmpede for at observere det under omgivelsestemperatur i bulk tilstand, fordi mekanoradikaler produceret til polymerer i bulk ikke er stabile på grund af deres høje reaktivitet over for oxygen og andre midler.

Forskere fra Tokyo Institute of Technology ledet af professor Hideyuki Otsuka besluttede at tage udfordringen op. I deres undersøgelse offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition , de brugte et lille molekyle kaldet diarylacetonitril (H-DAAN) til at fange de useriøse frie radikaler. "Vores teori var, at H-DAAN ville udsende et karakteristisk fluorescerende lys, når det reagerer med de frie radikaler, som vi så kunne måle for at estimere omfanget af polymernedbrydning, " forklarer prof Otsuka. "Teorien er enkel; jo højere kraft der udøves på polymeren, jo flere mekanoradikale stoffer produceres, og jo mere de reagerer med H-DAAN. Denne højere reaktionshastighed resulterer i mere intenst fluorescerende lys, ændringer, som let kan måles."

Forskerne ville nu se, hvordan dette ville fungere i praksis. Når polystyren (i nærvær af H-DAAN) blev udsat for mekanisk belastning via slibning, H-DAAN fungerede som en radikal scavenger for polymere mekanoradikaler, og bundet med dem for at fremstille "DAAN•, " som har fluorescerende egenskaber. Dette forårsagede en synlig gul fluorescens til at fremkomme.

"Vigtigere, sandsynligvis, er den klare sammenhæng, som vi fandt mellem fluorescensintensitet og mængden af ​​DAAN-radikaler, der genereres af formalet polystyren, som vi havde forudsagt, " rapporterer Prof Otsuka. "Dette betyder, at det er muligt at estimere mængden af ​​DAAN-radikaler, der genereres i bulksystemet blot ved at måle fluorescensintensiteten."

Implikationerne af deres resultater spænder vidt:ved visuelt at kunne kvantificere, hvordan materialer reagerer på forskellige eksterne stimuli, de kan teste, hvor egnede polymerer er til forskellige formål, afhængigt af den mekaniske belastning, de forventes at gennemgå. Denne metode kan vise sig at være et uvurderligt værktøj for forskere og ingeniører, når de stræber efter at forbedre materialets ydeevne og specificitet.

Denne spændende forskning kaster lys over polymerers reaktioner på mekanisk stress og belyser vejen frem i forskningen af ​​polymermekanoradikale!