Wetenschappers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben een stressdetecterend "slim" polymeer gemaakt dat helderder schijnt wanneer het wordt uitgerekt. Onderzoekers hopen het nieuwe polymeer te gebruiken om de prestaties van synthetische polymeren te meten en de slijtage van materialen die worden gebruikt in de technische en constructie-industrie te volgen.

De wetenschappers ontwikkelden dit polymeer door kopercomplexen - structuren gevormd door koperatomen te koppelen aan organische (koolstofbevattende) moleculen - op te nemen in een polymeer genaamd polybutylacrylaat, die is gemaakt van een chemische stof die wordt gebruikt om acrylverf te synthetiseren, lijmen en kitten.

De kopercomplexen, die de polybutylacrylaatketens met elkaar verbinden, natuurlijk gloeien bij blootstelling aan ultraviolet licht - een eigenschap die bekend staat als fotoluminescentie. Maar wanneer het polymeer wordt uitgerekt, de kopercomplexen stralen licht uit met een grotere intensiteit, wat leidt tot een helderdere gloed. De kopercomplexen werken daarom als mechanoforen - verbindingen die een verandering ondergaan wanneer ze worden geactiveerd door een mechanische kracht.

De meeste mechanoforen zijn niet gemaakt van metalen zoals koper, maar van organische verbindingen, die van kleur veranderen of licht uitstralen wanneer mechanische spanning een zwakke chemische binding verbreekt. Maar mechanoforen die dit bindingsverbrekende mechanisme gebruiken, hebben ernstige beperkingen.

"Er is een relatief grote kracht nodig om de chemische binding te verbreken, dus de mechanofoor is niet gevoelig voor kleine hoeveelheden stress, " zei dr. Ayumu Karimata, eerste auteur van de studie en een postdoctoraal wetenschapper van de OIST Coördinatie Chemie en Katalyse (CCC) Unit, onder leiding van professor Julia Khusnutdinova. "Ook, het proces van het verbreken van de binding is vaak onomkeerbaar en daarom kunnen deze stresssensoren maar één keer worden gebruikt."

In tegenstelling tot, de nieuwe kopermechanoforen ontwikkeld door de CCC-eenheid zijn gevoelig voor veel kleinere spanningen en kunnen snel en omkeerbaar reageren. In de studie, gepubliceerd in Chemische communicatie , de wetenschappers meldden dat de polymeerfilm onmiddellijk helderder en gedimd werd als reactie op het uitrekken en loslaten.

De wetenschappers gebruikten een CCD-camera om de veranderingen in helderheid direct te visualiseren terwijl het polymeer werd uitgerekt en losgelaten. De valse kleur rood staat voor een hoge lichtintensiteit en de valse kleur blauw staat voor een lage lichtintensiteit.

Een licht schijnen op het mechanisme

Fotoluminescente verbindingen, zoals deze kopercomplexen, zijn al lang een onderwerp van belang voor de CCC-eenheid. Voorafgaand aan het maken van het polymeer, de onderzoekers synthetiseerden geïsoleerde kopercomplexen van verschillende grootte.

Het team ontdekte dat de kopercomplexen erg dynamisch waren, voortdurend vervormend van vorm. Maar naarmate ze groter werden, de kopercomplexen werden minder flexibel en gloeiden helderder. De CCC-eenheid is van mening dat hoe groter, minder flexibele complexen geven licht efficiënter af omdat hun beweging beperkt is, en daardoor verliezen ze minder energie als warmte.

The researchers realized they could exploit the relationship between the flexibility of the copper complexes and brightness to create a stress-detecting polymer.

"When the copper complexes are incorporated into the polymer as cross-links, the act of stretching the polymer also reduces the flexibility of the molecules, " explained Karimata. "This causes the copper complexes to luminesce more efficiently with greater intensity."

Although still a long way off, Dr. Karimata hopes that the acrylic polymer could eventually be adapted to create a stress-sensing acrylic paint. This could have valuable applications as a coating for different structures, such as bridges or the frames of cars and aircraft.

"As we can see even from the direct visualization of the polymer, stress is applied across a material in a non-uniform way, " said Karimata. "A stress-sensing paint would allow hotspots of stress on a material to be detected and could help prevent a structure from failing."