Forskare från Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har skapat en stressdetekterande "smart" polymer som lyser starkare när den sträcks. Forskare hoppas kunna använda den nya polymeren för att mäta prestanda hos syntetiska polymerer och spåra slitaget på material som används inom verkstads- och byggindustrin.

Forskarna utvecklade denna polymer genom att införliva kopparkomplex - strukturer som bildas genom att länka kopparatomer till organiska (kolhaltiga) molekyler - i en polymer som kallas polybutylakrylat, som är gjord av en kemikalie som används för att syntetisera akrylfärger, lim och tätningsmedel.

Kopparkomplexen, som länkar samman polybutylakrylatkedjorna, lyser naturligt när de utsätts för ultraviolett ljus - en egenskap som kallas fotoluminescens. Men när polymeren sträcks, kopparkomplexen avger ljus med högre intensitet, leder till en ljusare glöd. Kopparkomplexen fungerar därför som mekanoforer - föreningar som genomgår en förändring när de utlöses av en mekanisk kraft.

De flesta mekanoforer är inte gjorda av metaller som koppar, men från organiska föreningar, som ändrar färg eller avger ljus när mekanisk spänning bryter en svag kemisk bindning. Men mekanoforer som använder denna bindningsbrytande mekanism har allvarliga begränsningar.

"En relativt stor kraft krävs för att bryta den kemiska bindningen, så mekanoforen är inte känslig för små mängder stress, " sa Dr Ayumu Karimata, första författare till studien och en postdoktor från OIST Coordination Chemistry and Catalysis (CCC) Unit, ledd av professor Julia Khusnutdinova. "Också, processen att bryta bindningen är ofta irreversibel och därför kan dessa stresssensorer bara användas en gång."

I kontrast, de nya kopparmekanoforerna som utvecklats av CCC-enheten är känsliga för mycket mindre påfrestningar och kan reagera snabbt och reversibelt. I studien, publiceras i Kemisk kommunikation , forskarna rapporterade att polymerfilmen omedelbart ljusnade och dämpades som svar på att den sträcktes och släpptes.

Forskarna använde en CCD-kamera för att direkt visualisera förändringarna i ljusstyrka när polymeren sträcktes och släpptes. Den falska färgen röd representerar hög ljusintensitet och den falska färgen blå representerar låg ljusintensitet.

Lyser på mekanismen

Fotoluminescerande föreningar, såsom dessa kopparkomplex, har länge varit ett ämne av intresse för CCC-enheten. Innan polymeren tillverkas, forskarna syntetiserade isolerade kopparkomplex av varierande storlek.

Teamet fann att kopparkomplexen var mycket dynamiska, ständigt förvrängande i form. Men när de ökade i storlek, kopparkomplexen blev mindre flexibla och lyste ljusare. CCC-enheten anser att ju större, mindre flexibla komplex släpper ljus mer effektivt eftersom deras rörelse är begränsad, och de förlorar därför mindre energi som värme.

Forskarna insåg att de kunde utnyttja förhållandet mellan kopparkomplexens flexibilitet och ljusstyrka för att skapa en spänningsdetekterande polymer.

"When the copper complexes are incorporated into the polymer as cross-links, the act of stretching the polymer also reduces the flexibility of the molecules, " explained Karimata. "This causes the copper complexes to luminesce more efficiently with greater intensity."

Although still a long way off, Dr. Karimata hopes that the acrylic polymer could eventually be adapted to create a stress-sensing acrylic paint. This could have valuable applications as a coating for different structures, such as bridges or the frames of cars and aircraft.

"As we can see even from the direct visualization of the polymer, stress is applied across a material in a non-uniform way, " said Karimata. "A stress-sensing paint would allow hotspots of stress on a material to be detected and could help prevent a structure from failing."