Новый полимер твердеет и меняет цвет при механическом воздействии
Удивительная и важная способность биологической ткани, такой как мышцы, - самовосстановление и самоусиление в ответ на повреждения, вызванные внешними силами. С другой стороны, большинство искусственных полимеров необратимо разрушаются при достаточном механическом напряжении, что делает их менее полезными для некоторых критических применений, таких как производство искусственных органов. Но что, если бы мы могли создать полимеры, которые химически реагировали на механические воздействия и использовали эту энергию для улучшения своих свойств?
Эта цель, которая оказалась большой проблемой, находится в центре внимания в области механохимии. В своем недавнем исследовании группа ученых из Токийского технологического института, Университета Ямагата и Института химических исследований Сагами, Япония, достигла значительных успехов в области объемных самоупрочняющихся полимеров.
Профессор Хидеюки Оцука, возглавлявший исследование, объясняет их мотивацию:
«Дальнейшее развитие элегантных объемных систем, в которых вызванная силой реакция вызывает явное изменение механических свойств, будет представлять собой революционный прорыв в механохимии, химии полимеров и материалов».
Ученые достигли этой цели, сосредоточив внимание на дифторенилсукцинонитриле (DFSN), «механофоре» или молекуле, которая реагирует на механическое воздействие.
Команда создала сегментированные полиуретановые полимерные цепи с жесткими и мягкими функциональными сегментами. Мягкие сегменты содержат молекулы DFSN, действующие как их «самое слабое звено», причем обе его половины соединены одной ковалентной связью. Боковые цепи мягких сегментов также завершены метакрилоильными звеньями. При приложении к полимеру механического напряжения, такого как простое сжатие или растяжение, молекула DFSN расщепляется на два равных цианофлуореновых (CF) радикала. Эти радикалы CF, в отличие от DFSN, приобретают розовый цвет, что позволяет легко визуально обнаружить механические повреждения.
Что наиболее важно, радикалы CF реагируют с метакрилоильными звеньями в боковых цепях других полимеров, вызывая химическое сцепление отдельных полимеров друг с другом в процессе, известном как сшивание. Это явление в конечном итоге приводит к повышению общей прочности объемного материала по мере того, как полимеры становятся более химически переплетенными. Этот эффект химического сшивания, как экспериментально доказали ученые, становится более выраженным по мере того, как больше циклов сжатия выполняется на сегментированных образцах полимера, потому что больше молекул DFSN расщепляется на радикалы CF.
Кроме того, команда создала небольшой вариант сегментированного полимера, который не только становится розовым, но и проявляет флуоресценцию под ультрафиолетовым излучением, когда к нему прилагается механическая сила. Эта функция пригодится при попытке более точно определить степень повреждения, нанесенного механическим воздействием.
Привлекательные свойства и функциональность разработанных полимеров полезны, например, для интуитивного обнаружения повреждений и создания адаптивных материалов. Выражая энтузиазм по поводу своих открытий, Оцука отмечает:
«Мы успешно разработали беспрецедентные механореактивные полимеры, которые проявляют изменение цвета, флуоресценцию и самоусиливающуюся способность, что стало первым отчетом о реакциях сшивания, вызванных силой. Наши открытия представляют собой значительный прогресс в фундаментальных исследованиях механохимии и ее приложений в материаловедении».
По мере того, как разрабатываются все более чувствительные к механическим воздействиям материалы с уникальными функциями, мы можем ожидать изучения множества их применений в различных промышленных и инженерных областях, пишет phys.org. Обязательно следите за дальнейшим прогрессом в механохимии!