Spanningssensoren zijn belangrijke hulpmiddelen als het gaat om het evalueren van de robuustheid van een materiaal dat wordt geconfronteerd met sterke mechanische krachten. OIST-onderzoekers hebben zojuist gepubliceerd in Geavanceerde materialen een artikel waarin melding wordt gemaakt van een nieuw soort sensormoleculen die oplichten wanneer het materiaal waarin ze zijn verwerkt onder zware mechanische belasting komt te staan.

Dergelijke op licht gebaseerde sensormoleculen, ook wel fotoluminescente mechanoforen genoemd, zijn niet nieuw, maar momenteel beschikbare toepassingen zijn alleen voor eenmalig gebruik. Ze omvatten meestal een sterke kracht - comprimerende, draaien of uitrekken bijvoorbeeld - het verbreken van een specifieke chemische binding tussen twee atomen of het onomkeerbaar uit elkaar trekken van twee moleculaire patronen in het sensormolecuul, het veranderen van de golflengte - en dus de kleur - van het licht dat door de mechanofoor wordt uitgezonden. Zodra deze moleculen hun structuur radicaal hebben veranderd als reactie op deze kracht, het is buitengewoon moeilijk om terug te keren naar de oorspronkelijke situatie. Hoewel deze mechanoforen nuttig zijn om de mechanische eigenschappen van een item of materiaal te begrijpen, ze zijn niet geschikt voor herhaalde blootstelling aan mechanische belasting.

Om dit probleem op te lossen, Dr. Georgy Filonenko en prof. Julia Khusnutdinova van de Coördinatie Chemie en Katalyse Eenheid ontwierpen een fotoluminescente mechanofoor die zijn eigenschappen behoudt in de tijd en onder herhaalde incidenties van mechanische stress. De onderzoekers verwerkten het stressgevoelige molecuul in een veelgebruikt polymeermateriaal, polyurethaan genaamd, veel gebruikt voor alledaagse voorwerpen, van matrassen en kussens tot opblaasbare boten, auto-interieurs, houtbewerkingslijm en zelfs spandex.

De wetenschappers rekten vervolgens het resulterende materiaal met toenemende kracht uit, onder ultraviolet licht een overeenkomstig helderdere gloed teweegbrengen. De reactie gebeurt binnen honderden milliseconden, wat resulteert in een tot tweevoudige toename van de intensiteit van de luminescentie. Wanneer de mechanische tractie stopt, het polymeermateriaal en de mechanofoor keren terug naar hun oorspronkelijke positie, het verminderen van de lichtuitlezing. Dit is van cruciaal belang omdat het herhaalde toepassingen van mechanische kracht mogelijk maakt.

Deze nieuwe mechanofoor is een fotoluminescente verbinding uit recent gepubliceerd werk van Dr. Filonenko en Prof. Khusnutdinova. Ondanks zijn zeer eenvoudige structuur reageert de verbinding extreem op de fysieke omgeving, wat een directe invloed heeft op de kleur die zichtbaar is met het blote oog onder een UV-licht. Deze moleculen werden direct opgenomen in de herhaalde patronen van het polymeermateriaal.

De hoge mobiliteit van de mechanofoormoleculen in het polymeer bleek de sleutel tot de sensorprestaties te zijn. Terwijl mechanoforen snel bewogen in het ontspannen polymeermonster, de helderheid van de emissie was laag vanwege deze moleculaire bewegingen die verhinderden dat de mechanofoor licht uitstraalde. Echter, door het materiaal aan mechanische kracht te onderwerpen, werden de bewegingen van de polymeerketen effectief vertraagd, waardoor de mechanofoor efficiënter licht kan uitstralen.

"Ons materiaal laat zien hoe een macroscopische kracht, zo eenvoudig als het uitrekken van een flexibele materiaalstreng, kan op efficiënte wijze microscopische veranderingen teweegbrengen tot aan geïsoleerde moleculen, " merkte Dr. Filonenko op.