Hurtigt virkende, farveskiftende molekylær sonde registrerer, når et materiale er ved at svigte

Materialer, der indeholder specielle polymermolekyler, vil måske en dag kunne advare os, når de er ved at svigte, sagde forskere. Ingeniører ved University of Illinois Urbana-Champaign har forbedret deres tidligere udviklede kraftfølsomme molekyler, kaldet mekanophorer, at producere reversibel, hurtig og levende farveændring, når der påføres en kraft.

Den nye undersøgelse ledet af postdoc-forsker Hai Qian, materialevidenskab og ingeniørprofessor og leder Nancy Sottos, og Beckman Institute of Advanced Science and Technology direktør Jeffrey Moore er offentliggjort i tidsskriftet Chem .

Moores team har arbejdet med mekanophorer i mere end et årti, men tidligere bestræbelser har produceret molekyler, der var langsomme til at reagere og vende tilbage til deres oprindelige tilstand, hvis overhovedet. Denne manglende evne til at producere en tænd/sluk-lignende respons har begrænset deres anvendelse som molekylære prober, der kontinuerligt rapporterer et materiales mekaniske tilstand, undersøgelsen rapporterer.

"Farveændringen er resultatet af stress påført bindingerne, der forbinder mekanophorerne til en polymerkæde, " sagde Qian. "Vi binder nu mekanoforerne til polymerkæder ved hjælp af et andet arrangementsskema, kaldet en oxazinstruktur. Den nye struktur giver mulighed for en øjeblikkelig og reversibel farveændring, så i stedet for at polymeren langsomt bliver mørkere over tid, farven ændrer sig hurtigt, når kraften påføres og forsvinder, når kraften fjernes."

Materialer, der indeholder de nye mekanophorer, kunne bruges som stresssensorer for at gøre det muligt for forskere at studere virkningerne af stress på materialer, før de fejler.

"Den hurtige reaktion og reversibilitet vil give ingeniører mulighed for bedre at overvåge, hurtigt opdage og reagere hurtigt på en overbelastet struktur i laboratoriet og til sidst i marken, " sagde Sottos.

En langvarig udfordring inden for materialevidenskab har været at lave observationer vedrørende mekanisk belastning og andre spændinger i materialer på enkeltmolekyleniveau. Selvom dette fremskridt ikke kan gøre dette, Moore siger, at målet er nærmere med udviklingen af ​​denne nye type mekanophorer.

"Der er mere arbejde at gøre, men dette fremskridt åbner døren til detaljeret indsigt i, hvad der foregår på molekylært niveau i alle mulige materialer, " sagde Moore. "På området for biomekanik, for eksempel, vi ser denne forskning som et springbræt mod bedre overvågning af, hvordan vores kroppe reagerer på eksterne kræfter fra celleniveau og videre."