Nylon, rubber, siliconen, teflon, PVC - dit zijn allemaal voorbeelden van door de mens gemaakte polymeren - lange ketens van herhaalde moleculaire eenheden die we monomeren noemen. Hoewel polymeren ook in de natuur voorkomen (denk aan wol, zijde, of zelfs haar), de uitvinding van synthetische polymeren, de meest bekende daarvan is plastic, een revolutie teweeggebracht in de industrie. Licht, rekbaar, flexibel, maar toch sterk en resistent, synthetische polymeren zijn een van de meest veelzijdige materialen ter wereld, gebruikt in alles, van kleding tot gebouwen, verpakkingen en energieproductie. Sinds het allereerste begin van dit nieuwe tijdperk in materiaaltechniek, het begrijpen van de invloed van externe krachten op de sterkte en stabiliteit van polymeren is cruciaal geweest om hun prestaties te evalueren.

Bij mechanische belasting, de zwakke bindingen die sommige polymeerketens bij elkaar houden worden overwonnen, en een onvermijdelijk breekt. Wanneer dit gebeurt, een vrije radicaal (een molecuul met een ongepaard elektron, die van nature onstabiel en zeer reactief is, in dit geval een "mechanoradical" genoemd) wordt gegenereerd. Door de hoeveelheid geproduceerde vrije mechanoradicalen te schatten, we kunnen de weerstand van een materiaal afleiden tot de hoeveelheid stress. Hoewel dit fenomeen goed gedocumenteerd is, wetenschappers worstelden om het onder omgevingstemperatuur in bulktoestand waar te nemen, omdat mechanoradicalen geproduceerd voor polymeren in bulk niet stabiel zijn vanwege hun hoge reactiviteit ten opzichte van zuurstof en andere middelen.

Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology onder leiding van professor Hideyuki Otsuka besloten de uitdaging aan te gaan. In hun studie gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie , ze gebruikten een klein molecuul genaamd diarylacetonitril (H-DAAN) om de bedrieglijke vrije radicalen op te vangen. "Onze theorie was dat H-DAAN een onderscheidend fluorescerend licht zou uitzenden wanneer het reageert met de vrije radicalen, die we vervolgens konden meten om de mate van polymeerafbraak te schatten, " legt Prof Otsuka uit. "De theorie is eenvoudig; hoe groter de kracht die op het polymeer wordt uitgeoefend, hoe meer mechanoradicalen worden geproduceerd, en hoe meer ze reageren met H-DAAN. Deze hogere reactiesnelheid resulteert in intenser fluorescerend licht, veranderingen waarin gemakkelijk kan worden gemeten."

De onderzoekers wilden nu kijken hoe dit in de praktijk zou werken. Wanneer polystyreen (in aanwezigheid van H-DAAN) door middel van slijpen mechanisch werd belast, de H-DAAN fungeerde als een radicalenvanger voor polymere mechanoradicalen, en met hen verbonden om "DAAN•, " die fluorescerende eigenschappen heeft. Hierdoor ontstond een zichtbare gele fluorescentie.

"Belangrijker, waarschijnlijk, is de duidelijke correlatie die we vonden tussen de intensiteit van de fluorescentie en de hoeveelheid DAAN-radicalen gegenereerd door het gemalen polystyreen, zoals we hadden voorspeld, " meldt Prof Otsuka. "Dit betekent dat het mogelijk is om de hoeveelheid DAAN-radicalen te schatten die in het bulksysteem worden gegenereerd door alleen de fluorescentie-intensiteit te meten."

De implicaties van hun bevindingen zijn breed:door visueel te kunnen kwantificeren hoe materialen reageren op verschillende externe stimuli, ze kunnen testen hoe geschikt polymeren zijn voor verschillende toepassingen, afhankelijk van de mechanische belasting die ze zullen ondergaan. Deze methode zou een hulpmiddel van onschatbare waarde kunnen zijn voor wetenschappers en ingenieurs die ernaar streven de materiaalprestaties en specificiteit te verbeteren.

Dit opwindende onderzoek werpt licht op de reacties van polymeren op mechanische stress en verlicht de weg voorwaarts in het onderzoek naar polymeer mechanoradicalen!