Material som innehåller speciella polymermolekyler kan en dag kunna varna oss när de är på väg att misslyckas, sa forskare. Ingenjörer vid University of Illinois Urbana-Champaign har förbättrat sina tidigare utvecklade kraftkänsliga molekyler, kallade mekanoforer, att producera reversibel, snabb och livfull färgförändring när en kraft appliceras.

Den nya studien ledd av postdoktorn Hai Qian, materialvetenskap och ingenjörsprofessor och chef Nancy Sottos, och Beckman Institute of Advanced Science and Technology, chef Jeffrey Moore, publiceras i tidskriften Chem .

Moores team har arbetat med mekanoforer i mer än ett decennium, men tidigare ansträngningar har producerat molekyler som var långsamma att reagera och återgå till sitt ursprungliga tillstånd, Om överhuvudtaget. Denna oförmåga att producera ett på/av-liknande svar har begränsat deras användning som molekylära sonder som kontinuerligt rapporterar ett materials mekaniska tillstånd, studien rapporterar.

"Färgförändringen är resultatet av stress som appliceras på bindningarna som förbinder mekanoforerna med en polymerkedja, " sa Qian. "Vi binder nu mekanoforerna till polymerkedjor med hjälp av ett annat arrangemangschema, kallas en oxazinstruktur. Den nya strukturen möjliggör en omedelbar och reversibel färgförändring, så istället för att polymeren sakta blir mörkare med tiden, färgen ändras snabbt när kraften appliceras och försvinner när kraften tas bort."

Material som innehåller de nya mekanoforerna skulle kunna användas som stresssensorer för att göra det möjligt för forskare att studera effekterna av stress på material innan de misslyckas.

"Den snabba responsen och reversibiliteten gör det möjligt för ingenjörer att bättre övervaka, snabbt upptäcka och reagera snabbt på en överbelastad struktur i labbet och så småningom i fält, sa Sottos.

En långvarig utmaning inom materialvetenskap har varit att göra observationer angående mekanisk belastning och andra spänningar i material på enmolekylnivå. Även om detta framsteg inte kan göra detta, Moore säger att målet är närmare med utvecklingen av denna nya typ av mekanoforer.

"Det finns mer att göra, men detta framsteg öppnar dörren till detaljerad insikt om vad som händer på molekylär nivå i alla möjliga material, " sade Moore. "Inom området biomekanik, till exempel, vi ser den här forskningen som en språngbräda mot bättre övervakning av hur våra kroppar reagerar på yttre krafter från cellnivå och bortom."