Ny polymer hærder og ændrer farve ved mekanisk belastning

En fascinerende og afgørende evne af biologisk væv, såsom muskler, er selvhelbredende og selvstyrkende som reaktion på skader forårsaget af ydre kræfter. De fleste menneskeskabte polymerer, på den anden side, brud irreversibelt under tilstrækkelig mekanisk belastning, hvilket gør dem mindre nyttige til visse kritiske applikationer som fremstilling af kunstige organer. Men hvad nu hvis vi kunne designe polymerer, der reagerede kemisk på mekaniske stimuli og brugte denne energi til at forbedre deres egenskaber?

Dette mål, hvilket har vist sig at være en stor udfordring, er i søgelyset inden for mekanokemi. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition , et team af forskere fra Tokyo Tech, Yamagata University, og Sagami Chemical Research Institute, Japan, gjort bemærkelsesværdige fremskridt med selvforstærkende bulkpolymerer. Professor Hideyuki Otsuka, hvem ledede undersøgelsen, forklarer deres motivation:"At videreføre udviklingen af ​​elegante bulksystemer, hvor en kraftinduceret reaktion forårsager en klar ændring i mekaniske egenskaber, ville repræsentere et spilskiftende fremskridt inden for mekanokemi, polymerkemi, og materialevidenskab." De nåede dette mål ved at fokusere på difluorenylsuccinonitril (DFSN), en 'mekanofor' eller et molekyle, der reagerer på mekanisk stress.

Holdet skabte segmenterede polyurethan-polymerkæder med hårde såvel som bløde funktionelle segmenter. De bløde segmenter indeholder DFSN-molekyler, der fungerer som deres "svageste led, " med begge dets halvdele forbundet med en enkelt kovalent binding. De bløde segmenter har også deres sidekæder toppet med methacryloyl-enheder. Ved påføring af mekanisk belastning, såsom simpel komprimering eller forlængelse, på polymeren, DFSN-molekylet opdeles i to lige store cyanofluoren (CF) radikaler. Disse CF-radikale, i modsætning til DFSN, få en lyserød farve, gør det let at opfange mekaniske skader visuelt.

Mest vigtigt, CF-radikalerne reagerer med methacryloyl-enhederne i sidekæderne af andre polymerer, forårsager, at separate polymerer kemisk hægter sig til hinanden i en proces kendt som tværbinding. Dette fænomen får i sidste ende den samlede styrke af bulkmaterialet til at stige, efterhånden som polymerer bliver mere kemisk sammenflettet. Denne kemiske tværbindingseffekt, som forskerne beviste eksperimentelt, bliver mere udtalt, efterhånden som flere kompressionscyklusser udføres på de segmenterede polymerprøver, fordi flere DFSN-molekyler opdeles i CF-radikaler.

Ud over, holdet skabte en lille variant af deres segmenterede polymer, der ikke kun bliver lyserød, men også udviser fluorescens under ultraviolet bestråling, når der påføres mekanisk kraft på den. Denne funktionalitet er praktisk, når man forsøger mere præcist at kvantificere omfanget af skaden forårsaget af mekanisk belastning.

De attraktive egenskaber og funktionaliteter af de udviklede polymerer er nyttige, for eksempel, til intuitiv skadedetektering og skabelse af adaptive materialer. Udtrykker begejstring for deres resultater, Otsuka bemærker:"Vi har med succes udviklet hidtil usete mekanoresponsive polymerer, der udviser farveændringer, fluorescens, og selvstyrkende evne, markering af den første rapport om kraftinducerede tværbindingsreaktioner opnået ved blot at forlænge eller komprimere en bulkfilm. Vores resultater repræsenterer et betydeligt fremskridt inden for den grundlæggende forskning inden for mekanokemi og dens anvendelser inden for materialevidenskab."

Efterhånden som mere mekano-responsive materialer med unikke funktioner udvikles, vi kan forvente at udforske deres utallige applikationer inden for forskellige industri- og ingeniørområder. Sørg for at holde øje med yderligere fremskridt inden for mekanokemi!