Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology ontwerpen polymeren doordrenkt met een stressgevoelige moleculaire eenheid die reageren op externe krachten door hun fluorescentie in te schakelen. De onderzoekers tonen aan dat de fluorescentie afhankelijk is van de grootte van de kracht en laten zien dat het mogelijk is om beide te detecteren, omkeerbare en onomkeerbare polymeervervormingen, de deur openen naar de verkenning van nieuwe krachtregimes in polymeren.

Naast het veroorzaken van fysieke beweging, mechanische krachten kunnen chemische veranderingen op gecontroleerde en productieve manieren aandrijven, waardoor gewenste materiaaleigenschappen mogelijk zijn. Een manier om dit te doen is door een zogenaamde mechanofoor in het materiaal te introduceren, moleculaire eenheden die gevoelig zijn voor spanning of rek. specifiek, mechanochrome mechanoforen, die hun optische eigenschappen veranderen als reactie op mechanische stimuli, zijn heel nuttig bij het kwantificeren van hun lokale mechanische omgeving.

Echter, het reactiemechanisme dat in de meeste mechanoforen speelt, omvat het verbreken van chemische bindingen. Bijgevolg, ze vereisen relatief grote mechanische krachten om te worden geactiveerd en hun reactie is meestal niet omkeerbaar. Om deze problemen aan te pakken, onderzoekers onder leiding van prof. Yoshimitsu Sagara van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hadden eerder supramoleculaire mechanoforen ontwikkeld die direct omkeerbare aan / uit-schakeling van fluorescentie laten zien zonder enige splitsing van covalente bindingen. De volgende uitdaging van het team was om te bepalen of zowel omkeerbare als onomkeerbare mechanoresponsen kunnen worden opgewekt uit hetzelfde moleculaire motief.

in een nieuwe Tijdschrift van de American Chemical Society studie, het team onderzoekt deze vraag met behulp van een ongebruikelijke moleculaire architectuur genaamd "rotaxaan", waarin een haltervormig molecuul door een "ring" wordt geregen zodat ze mechanisch in elkaar grijpen, d.w.z. de "ring" kan normaal niet worden uitgetrokken. Door een quencher-emitterpaar aan het rotaxaan te bevestigen en ring- en stopdelen van de juiste grootte te selecteren, het team demonstreert een nieuw type mechanofoorreactie die omkeerbaar of onomkeerbaar kan zijn, afhankelijk van de grootte van de uitgeoefende kracht (Figuur 1).

"Als er geen kracht wordt uitgeoefend, de aantrekkelijke interactie houdt de emitter-bevattende ring nabij de quencher op de as van de rotaxaan gefixeerd, zodat de emissie wordt gedoofd, " legt Sagara uit. "Bij het uitoefenen van een zwakke kracht, de emitter wordt van de quencher verwijderd, en de fluorescentie ervan is ingeschakeld. Dit effect is omkeerbaar, tenzij de kracht voldoende groot is om de ring voorbij de stopper te duwen, zodat onomkeerbare draadbreuk optreedt."

Door een zorgvuldig ontworpen set van verschillende rotaxanen te onderzoeken, het team toonde aan dat de combinatie van op de juiste wijze geselecteerde ring- en stopdelen met de juiste grootte cruciaal is om in elkaar grijpende structuren te verkrijgen die zo'n dubbele respons vertonen. Tokyo Tech-onderzoekers werkten samen met Zwitserse partners van het Adolphe Merkle Institute van de Universiteit van Fribourg om de nieuwe mechanoforen in elastische polyurethaanrubbers te verwerken. Deze materialen die reversibele fluorescentieveranderingen vertonen gedurende vele cycli van uitrekken en loslaten tot lage spanningen, dankzij de pendelfunctie, terwijl permanente veranderingen werden waargenomen wanneer de rubbers werden onderworpen aan herhaalde vervormingen onder hoge spanningen als gevolg van het losraken van de ring van de as. "Dit mechanisme stelt een conceptueel althans, om de daadwerkelijke vervorming van polymeermaterialen te monitoren en mechanische schade die in het verleden is toegebracht te onderzoeken op basis van een optisch signaal", zegt Sagara.

Speculeren over de mogelijke implicaties van hun resultaten, een opgetogen Sagara opmerkingen, "Het uitbreiden van de huidige bibliotheek van mechanoforen met onze op rotaxaan gebaseerde kandidaten zou nuttig zijn voor het bestuderen van de mechanische eigenschappen van niet alleen polymeren, maar ook van cellen en weefsels, omdat onze mechanoforen kunnen reageren op veel kleinere krachten in vergelijking met die met een splitsing van chemische bindingen."

Simpel gezegd, rotaxanen zouden de hele natuurwetenschap kunnen doordringen.