Onderzoekers van het Adolphe Merkle Institute (AMI) van de Universiteit van Fribourg en de Universiteit van Hokkaido in Japan hebben een methode ontwikkeld om de eigenschappen van stress-aangevende moleculen die in polymeren kunnen worden geïntegreerd, aan te passen en schade of overmatige mechanische belastingen met een optisch signaal te signaleren.

Als onderdeel van hun onderzoeksactiviteiten binnen het National Center of Competence in Research Bio-inspired Materials, Professor Christoph Weder, de leerstoel Polymer Chemistry and Materials bij AMI, en zijn team onderzoeken polymeren die hun kleur of fluorescentie-eigenschappen veranderen wanneer ze onder mechanische belasting worden geplaatst. De heersende benadering om deze functie te bereiken is gebaseerd op speciaal ontworpen sensormoleculen die zwakke chemische bindingen bevatten die breken wanneer de uitgeoefende mechanische kracht een bepaalde drempel overschrijdt. Dit effect kan een kleurverandering of andere vooraf gedefinieerde reacties veroorzaken. Een fundamentele beperking van deze benadering, echter, is dat de zwakke bindingen ook kunnen breken bij blootstelling aan licht of warmte. Dit gebrek aan specificiteit vermindert de praktische bruikbaarheid van stress-indicerende polymeren. Het maakt het effect normaal gesproken ook onomkeerbaar.

Dit probleem aanpakken, Weder en dr. Yoshimitsu Sagara - een Japanse onderzoeker die twee jaar in de groep van Weder bij AMI heeft doorgebracht voordat hij als assistent-professor aan de Hokkaido University begon - bedachten een nieuw type sensormolecuul dat alleen kan worden geactiveerd door mechanische kracht. In tegenstelling tot eerdere krachtoverbrengende moleculen, er vindt geen chemische binding plaats. In plaats daarvan, de nieuwe sensormoleculen bestaan ​​uit twee delen die mechanisch in elkaar grijpen. Deze onderlinge verbinding voorkomt de scheiding van de twee delen, terwijl ze nog steeds tegen elkaar kunnen worden geduwd of van elkaar kunnen worden weggetrokken. Dergelijk moleculair duwen en trekken zorgt ervoor dat de fluorescentie van het molecuul van uit naar aan verandert.

In een nieuwe publicatie in het open access tijdschrift ACS Centrale Wetenschap , Weder, Sagara, en hun collega's melden dat dit nieuwe concept robuust en veelzijdig is. "De ontwerpbenadering maakt het mogelijk om de eigenschappen van dergelijke sensormoleculen aan te passen, omdat hun gedrag vrij voorspelbaar is, " legt Weder uit. "We hebben ervoor gekozen om dit aan te tonen door materialen aan te pakken die witte fluorescentie vertonen wanneer ze worden uitgerekt, ", voegt Sagara toe. "Mechanoresponsieve witte fluorescentie is over het algemeen moeilijk te bereiken. Het vereist de combinatie van drie sensormoleculen met vooraf gedefinieerde emissiekleuren:blauw, groente, en rood (of oranje). In aanvulling, de sensormoleculen moeten ook een vergelijkbare reactie op mechanische stress vertonen om de witte emissie AAN/UIT te schakelen wanneer ze worden gemengd."

Zoals bedoeld, polymeren die de nieuwe motieven bevatten, fluoresceren niet in afwezigheid van mechanische kracht, maar ze worden fel fluorescerend rood, groente, of blauw, wanneer slechts één type sensormolecuul wordt gebruikt, wit wanneer ze worden gecombineerd - wanneer uitgerekt. Omdat er geen chemische bindingen worden verbroken, het proces is ook volledig omkeerbaar. Dus, toen de nieuwe sensormoleculen werden opgenomen in een elastisch polymeer, de fluorescentie werd ingeschakeld wanneer het materiaal werd uitgerekt, en uitgeschakeld toen de kracht werd verwijderd en het materiaal samengetrokken. Bovendien, de fluorescentie-intensiteit, of helderheid, bleek te correleren met de mate van vervorming.

Mogelijke toepassingen voor dergelijke materialen zijn onder meer ingebouwde monitoren die visuele waarschuwingssignalen sturen voordat een onderdeel defect raakt, of die ingenieurs in staat stellen om spanningen in onderdelen onder belasting in kaart te brengen en hen te helpen deze beter te ontwerpen. De sensormoleculen beloven ook nuttig te zijn voor fundamentele, onderzoek op moleculair niveau van stress-overdrachtsmechanismen in synthetische materialen en in biologische systemen.

Het Zwitsers-Japanse team werkt momenteel samen om het ontwerp verder te vereenvoudigen voor een uitbreiding van het concept naar materialen die van kleur veranderen, in plaats van hun fluorescentie. De respons van dergelijke motieven zou zonder hulpmiddelen kunnen worden geïnspecteerd en zou dus nuttiger zijn voor praktische toepassingen.