En fascinerande och avgörande förmåga hos biologisk vävnad, såsom muskler, är självläkande och självstärkande som svar på skador orsakade av yttre krafter. De flesta människotillverkade polymerer, å andra sidan, bryta oåterkalleligt under tillräcklig mekanisk påfrestning, vilket gör dem mindre användbara för vissa kritiska tillämpningar som tillverkning av konstgjorda organ. Men tänk om vi kunde designa polymerer som reagerade kemiskt på mekaniska stimuli och använde denna energi för att förbättra deras egenskaper?

Det här målet, vilket har visat sig vara en stor utmaning, är i rampljuset inom området mekanokemi. I en nyligen publicerad studie publicerad i Angewandte Chemie International Edition , ett team av forskare från Tokyo Tech, Yamagata University, och Sagami Chemical Research Institute, Japan, gjort anmärkningsvärda framsteg med bulk självförstärkande polymerer. Professor Hideyuki Otsuka, som ledde studien, förklarar deras motivering:"Att vidareutveckla utvecklingen av eleganta bulksystem där en kraftinducerad reaktion orsakar en tydlig förändring av mekaniska egenskaper skulle representera ett spelförändrande framsteg inom mekanokemin, polymerkemi, och materialvetenskap." De uppnådde detta mål genom att fokusera på difluorenylsuccinonitril (DFSN), en "mekanofor" eller molekyl som reagerar på mekanisk stress.

Teamet skapade segmenterade polyuretanpolymerkedjor med hårda såväl som mjuka funktionella segment. De mjuka segmenten innehåller DFSN-molekyler som fungerar som deras "svagaste länk, " med båda dess halvor sammanfogade av en enda kovalent bindning. De mjuka segmenten har också sina sidokedjor toppade med metakryloylenheter. Vid påförande av mekanisk påkänning, som enkel komprimering eller förlängning, på polymeren, DFSN-molekylen delas i två lika stora cyanofluoren (CF) radikaler. Dessa CF-radikaler, till skillnad från DFSN, få en rosa färg, gör det enkelt att visuellt upptäcka mekaniska skador.

Viktigast, CF-radikalerna reagerar med metakryloylenheterna i sidokedjorna av andra polymerer, orsakar separata polymerer att kemiskt haka vid varandra i en process som kallas tvärbindning. Detta fenomen gör i slutändan att den totala styrkan hos bulkmaterialet ökar när polymerer blir mer kemiskt sammanflätade. Denna kemiska tvärbindningseffekt, som forskarna bevisade experimentellt, blir mer uttalad när fler kompressionscykler utförs på de segmenterade polymerproverna eftersom fler DFSN-molekyler delas upp i CF-radikaler.

Dessutom, teamet skapade en liten variant av deras segmenterade polymer som inte bara blir rosa utan också uppvisar fluorescens under ultraviolett bestrålning när mekanisk kraft appliceras på den. Denna funktion kommer väl till pass när man försöker mer exakt kvantifiera omfattningen av skadan som orsakas av mekanisk stress.

De attraktiva egenskaperna och funktionaliteterna hos de utvecklade polymererna är användbara, till exempel, för intuitiv skadedetektering och skapandet av adaptiva material. Uttrycker spänning för sina upptäckter, Otsuka anmärker:"Vi har framgångsrikt utvecklat oöverträffade mekanoresponsiva polymerer som uppvisar färgförändringar, fluorescens, och självförstärkande förmåga, markerar den första rapporten av kraftinducerade tvärbindningsreaktioner som uppnåtts genom att helt enkelt förlänga eller komprimera en bulkfilm. Våra resultat representerar ett betydande framsteg inom den grundläggande forskningen inom mekanokemi och dess tillämpningar inom materialvetenskap."

Allt eftersom mer mekaniskt känsliga material med unika funktioner utvecklas, vi kan förvänta oss att utforska deras otaliga tillämpningar inom olika industri- och ingenjörsområden. Se till att hålla utkik efter ytterligare framsteg inom mekanokemi!