Forskare vid University of Fribourgs Adolphe Merkle Institute (AMI) och Hokkaido University i Japan har utvecklat en metod för att skräddarsy egenskaperna hos spänningsindikerande molekyler som kan integreras i polymerer och signalskador eller för stora mekaniska belastningar med en optisk signal.

Som en del av deras forskningsverksamhet inom National Centre of Competence in Research Bio-inspired Materials, Professor Christoph Weder, ordförande för polymerkemi och material vid AMI, och hans team undersöker polymerer som ändrar sin färg eller fluorescensegenskaper när de placeras under mekanisk belastning. Det rådande tillvägagångssättet för att uppnå denna funktion är baserat på specifikt designade sensormolekyler som innehåller svaga kemiska bindningar som går sönder när den applicerade mekaniska kraften överskrider en viss tröskel. Denna effekt kan orsaka en färgförändring eller andra fördefinierade svar. En grundläggande begränsning av detta tillvägagångssätt, dock, är att de svaga bindningarna också kan gå sönder vid exponering för ljus eller värme. Denna brist på specificitet minskar den praktiska användbarheten av spänningsindikerande polymerer. Det gör normalt också effekten irreversibel.

För att lösa detta problem, Weder och Dr. Yoshimitsu Sagara – en japansk forskare som tillbringade två år i Weders grupp vid AMI innan de började på Hokkaido University som biträdande professor – utarbetade en ny typ av sensormolekyl som bara kan aktiveras av mekanisk kraft. Till skillnad från tidigare krafttransducerande molekyler, ingen kemisk bindningsbrytning sker. Istället, de nya sensormolekylerna består av två delar som låser sig mekaniskt. Denna sammankoppling förhindrar separation av de två delarna, samtidigt som de fortfarande kan tryckas ihop eller dras bort från varandra. Sådan molekylär tryckning och dragning gör att molekylens fluorescens ändras från av till på.

I en ny publikation i tidskriften med öppen tillgång ACS Central Science , Weder, Sagara, och deras medarbetare rapporterar att detta nya koncept är robust och mångsidigt. "Designmetoden gör att man kan skräddarsy egenskaperna hos sådana sensormolekyler, eftersom deras beteende är ganska förutsägbart, " förklarar Weder. "Vi valde att demonstrera detta genom att ta itu med material som visar vit fluorescens när de sträcks, ", tillägger Sagara. "Mekanoresponsiv vit fluorescens är i allmänhet svår att uppnå. Det kräver en kombination av tre sensormolekyler med fördefinierade emissionsfärger:blå, grön, och röd (eller orange). Dessutom, sensormolekylerna måste också uppvisa ett liknande svar på mekanisk stress för att uppnå PÅ/AV-växling av vit emission när de blandas."

Som avsett, polymerer som innehåller de nya motiven fluorescerar inte i frånvaro av mekanisk kraft, men de blir ljust fluorescerande – röda, grön, eller blå, när endast en typ av sensormolekyl används, vita när de kombineras — när de sträcks. Eftersom inga kemiska bindningar bryts, processen är också helt reversibel. Således, när de nya sensormolekylerna införlivades i en elastisk polymer, fluorescensen slogs på när materialet sträcktes, och stängdes av när kraften togs bort och materialet drog sig samman. Dessutom, fluorescensintensiteten, eller ljusstyrka, visade sig korrelera med omfattningen av deformation.

Potentiella tillämpningar för sådana material inkluderar inbyggda monitorer som skickar visuella varningssignaler innan en del går sönder, eller som gör det möjligt för ingenjörer att kartlägga spänningar i delar under belastning och hjälpa dem att designa dessa bättre. Sensormolekylerna lovar också att vara användbara för grundläggande, undersökningar på molekylär nivå av spänningsöverföringsmekanismer i syntetiska material såväl som i biologiska system.

Det schweizisk-japanska teamet samarbetar för närvarande för att ytterligare förenkla designen för en expansion av konceptet till material som ändrar färg, istället för deras fluorescens. Responsen av sådana motiv skulle kunna inspekteras utan några hjälpmedel och skulle därför vara mer användbar för praktiska tillämpningar.