Een fascinerend en cruciaal vermogen van biologisch weefsel, zoals spieren, is zelfgenezend en zelfversterkend als reactie op schade veroorzaakt door externe krachten. De meeste door mensen gemaakte polymeren, anderzijds, onomkeerbaar breken onder voldoende mechanische belasting, waardoor ze minder bruikbaar zijn voor bepaalde kritische toepassingen, zoals het maken van kunstmatige organen. Maar wat als we polymeren zouden kunnen ontwerpen die chemisch reageren op mechanische stimuli en deze energie gebruiken om hun eigenschappen te verbeteren?

Het doel, wat een grote uitdaging is gebleken, staat in de schijnwerpers op het gebied van mechanochemie. In een recente studie gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie , een team van wetenschappers van Tokyo Tech, Yamagata-universiteit, en Sagami Chemisch Onderzoeksinstituut, Japan, opmerkelijke vooruitgang geboekt met bulk zelfversterkende polymeren. Professor Hideyuki Otsuka, die de studie leidde, legt hun motivatie uit:"Het bevorderen van de ontwikkeling van elegante bulksystemen waarin een door kracht veroorzaakte reactie een duidelijke verandering in mechanische eigenschappen veroorzaakt, zou een baanbrekende vooruitgang in de mechanochemie betekenen, polymeer chemie, en materiaalkunde." Ze bereikten dit doel door zich te concentreren op difluorenylsuccinonitril (DFSN), een 'mechanofoor' of molecuul dat reageert op mechanische stress.

Het team creëerde gesegmenteerde polyurethaanpolymeerketens met zowel harde als zachte functionele segmenten. De zachte segmenten bevatten DFSN-moleculen die fungeren als hun "zwakste schakel, " met beide helften verbonden door een enkele covalente binding. De zachte segmenten hebben ook hun zijketens bekroond met methacryloyl-eenheden. Bij het uitoefenen van mechanische spanning, zoals eenvoudige compressie of extensie, op het polymeer, het DFSN-molecuul splitst zich in twee gelijke cyanofluoreen (CF) radicalen. Deze CF-radicalen, in tegenstelling tot DFSN, een roze kleur krijgen, waardoor het gemakkelijk is om mechanische schade visueel te detecteren.

Het belangrijkste is, de CF-radicalen reageren met de methacryloyl-eenheden in de zijketens van andere polymeren, waardoor afzonderlijke polymeren chemisch aan elkaar gaan haken in een proces dat bekend staat als verknoping. Dit fenomeen zorgt er uiteindelijk voor dat de algehele sterkte van het bulkmateriaal toeneemt naarmate polymeren meer chemisch met elkaar verweven raken. Dit chemische verknopingseffect, zoals de wetenschappers experimenteel bewezen, wordt meer uitgesproken naarmate er meer compressiecycli worden uitgevoerd op de gesegmenteerde polymeermonsters omdat meer DFSN-moleculen worden gesplitst in CF-radicalen.

In aanvulling, het team creëerde een kleine variant van hun gesegmenteerde polymeer dat niet alleen roze wordt, maar ook fluorescentie vertoont onder ultraviolette straling wanneer er mechanische kracht op wordt uitgeoefend. Deze functionaliteit is handig bij het nauwkeuriger kwantificeren van de omvang van de schade door mechanische belasting.

De aantrekkelijke eigenschappen en functionaliteiten van de ontwikkelde polymeren zijn nuttig, bijvoorbeeld, voor intuïtieve schadedetectie en het creëren van adaptieve materialen. Uiting geven aan hun enthousiasme voor hun bevindingen, Otsuka merkt op:"We hebben met succes ongekende mechanoresponsieve polymeren ontwikkeld die kleurverandering vertonen, fluorescentie, en zelfversterkend vermogen, markeert het eerste rapport van door kracht geïnduceerde verknopingsreacties die worden bereikt door simpelweg de verlenging of compressie van een bulkfilm. Onze bevindingen vertegenwoordigen een belangrijke vooruitgang in het fundamentele onderzoek van de mechanochemie en de toepassingen ervan in de materiaalwetenschap."

Naarmate er meer mechanisch reagerende materialen met unieke functies worden ontwikkeld, we kunnen verwachten dat we hun talloze toepassingen op verschillende industriële en technische gebieden zullen verkennen. Houd de verdere voortgang in de mechanochemie in de gaten!