Nylon, sudd, silikon, Teflon, PVC - dessa är alla exempel på konstgjorda polymerer - långa kedjor av upprepade molekylära enheter som vi kallar monomerer. Medan polymerer också finns i naturen (tänk ull, silke, eller till och med hår), uppfinningen av syntetiska polymerer, den mest kända av dem är plast, revolutionerade branschen. Ljus, elastisk, flexibel, men ändå stark och motståndskraftig, syntetiska polymerer är ett av de mest mångsidiga materialen på planeten, används i allt från kläder till byggnad, förpackningar och energiproduktion. Sedan början av denna nya era inom materialteknik, att förstå påverkan av externa krafter på polymerers styrka och stabilitet har varit avgörande för att utvärdera deras prestanda.

När de utsätts för mekanisk påfrestning, de svaga bindningarna som håller ihop vissa polymerkedjor övervinns, och man går oundvikligen sönder. När detta händer, en fri radikal (en molekyl med en oparad elektron, som är naturligt instabil och mycket reaktiv, kallas en "mekanoradikal" i detta fall) genereras. Genom att uppskatta mängden fria mekanoradikaler som produceras, vi kan härleda ett materials motstånd till mängden spänning. Även om detta fenomen är väldokumenterat, forskare kämpade för att observera det under omgivningstemperatur i bulktillstånd, eftersom mekanoradikaler som produceras för polymerer i bulk inte är stabila på grund av deras höga reaktivitet mot syre och andra medel.

Forskare från Tokyo Institute of Technology under ledning av professor Hideyuki Otsuka bestämde sig för att anta utmaningen. I deras studie publicerad i Angewandte Chemie International Edition , de använde en liten molekyl som heter diarylacetonitril (H-DAAN) för att fånga de oseriösa fria radikalerna. "Vår teori var att H-DAAN skulle avge ett distinkt fluorescerande ljus när det reagerar med de fria radikalerna, som vi sedan kan mäta för att uppskatta omfattningen av polymernedbrytning, " förklarar Prof Otsuka. "Teorin är enkel; ju högre kraft som utövas på polymeren, ju fler mekanoradikaler produceras, och ju mer de reagerar med H-DAAN. Denna högre reaktionshastighet resulterar i mer intensivt fluorescerande ljus, förändringar som lätt kan mätas."

Forskarna ville nu se hur detta skulle fungera i praktiken. När polystyren (i närvaro av H-DAAN) utsattes för mekanisk påfrestning via slipning, H-DAAN fungerade som en radikalfångare för polymera mekanoradikaler, och band med dem för att producera "DAAN•, " som har fluorescerande egenskaper. Detta orsakade en synlig gul fluorescens.

"Viktigare, förmodligen, är den tydliga korrelationen som vi hittade mellan fluorescensintensitet och mängden DAAN-radikaler som genereras av den malda polystyrenen, som vi hade förutspått, " rapporterar Prof Otsuka. "Detta betyder att det är möjligt att uppskatta mängden DAAN-radikaler som genereras i bulksystemet bara genom att mäta fluorescensintensiteten."

Implikationerna av deras fynd är omfattande:genom att visuellt kunna kvantifiera hur material svarar på olika yttre stimuli, de kan testa hur lämpliga polymerer är för olika användningsområden, beroende på den mekaniska påfrestning de förväntas utsättas för. Denna metod kan visa sig vara ett ovärderligt verktyg för forskare och ingenjörer när de strävar efter att förbättra materialprestanda och specificitet.

Denna spännande forskning belyser polymerernas reaktioner på mekanisk stress och belyser vägen framåt i forskningen om polymermekanoradikaler!