Stresssensorer är viktiga verktyg när det gäller att utvärdera robustheten hos ett material som möter starka mekaniska krafter. OIST-forskare har just publicerat i Avancerade material en artikel som rapporterar om en ny typ av sensormolekyler som lyser upp när materialet de är införlivat i utsätts för kraftig mekanisk påfrestning.

Sådana ljusbaserade avkänningsmolekyler, även kallade fotoluminescerande mekanoforer, är inte nya, men för närvarande tillgängliga applikationer är endast för engångsbruk. De skulle vanligtvis involvera en stark kraft - komprimering, vridning eller sträckning till exempel – bryta en specifik kemisk bindning mellan två atomer eller irreversibelt dra isär två molekylära mönster i den avkännande molekylen, ändra våglängden - och därmed färgen - på ljuset som emitteras av mekanoforen. När dessa molekyler har radikalt förändrat sin struktur som svar på denna kraft, det är extremt svårt att återgå till utgångsläget. Även om dessa mekanoforer är användbara för att förstå de mekaniska egenskaperna hos ett föremål eller ett material, de lämpar sig inte bra för upprepad exponering för mekanisk påfrestning.

För att övervinna detta problem, Dr. Georgy Filonenko och professor Julia Khusnutdinova från enheten för koordinationskemi och katalys designade en fotoluminescerande mekanofor som behåller sina egenskaper över tid och under upprepade tillfällen av mekanisk påfrestning. Forskarna inkorporerade den stressavkännande molekylen i ett vanligt polymermaterial som kallas polyuretan, används ofta för vardagliga föremål från madrasser och kuddar till uppblåsbara båtar, bil interiör, träbearbetningslim och även spandex.

Forskarna sträckte sedan ut det resulterande materialet med ökande kraft, utlöser ett motsvarande starkare sken under ett ultraviolett ljus. Reaktionen sker inom hundratals millisekunder, vilket resulterar i en upp till tvåfaldig ökning av luminescensintensiteten. När den mekaniska dragkraften stannar, polymermaterialet och mekanoforen går tillbaka till sitt ursprungliga läge, minska ljusavläsningen. Detta är kritiskt eftersom det tillåter upprepade appliceringar av mekanisk kraft.

Denna nya mekanofor är en fotoluminescerande förening från nyligen publicerade arbeten av Dr Filonenko och Prof. Khusnutdinova. Trots sin mycket enkla struktur är blandningen extremt känslig för den fysiska miljön som har en direkt inverkan på färgen som är synlig med blotta ögat under UV-ljus. Dessa molekyler inkorporerades direkt i polymermaterialets upprepade mönster.

Den höga rörligheten hos mekanoformolekylerna i polymeren visade sig vara nyckeln till sensorns prestanda. När mekanoforerna rörde sig snabbt i det avslappnade polymerprovet, ljusstyrkan på emissionen var låg på grund av att dessa molekylära rörelser hindrade mekanoforen från att sända ut ljus. Dock, att utsätta materialet för mekanisk kraft saktade effektivt ner polymerkedjerörelserna, gör det möjligt för mekanoforen att avge ljus mer effektivt.

"Vårt material visar hur en makroskopisk kraft, lika grundläggande som att sträcka en flexibel sträng av material, kan effektivt utlösa mikroskopiska förändringar ända ner till isolerade molekyler, " kommenterade Dr Filonenko.