Dehnbare Folien und matschige Gele tragen dazu bei, dass tragbare Elektronik, weiche Robotertechnik und biokompatibles Gewebe Realität werden. Aber zu viel Kraft kann dazu führen, dass diese Polymere ohne Vorwarnung auseinander brechen. Um Stress zu erkennen, bevor es zu spät ist, zeigen Forscher im Journal of the American Chemical Society, dass sie eine Verbindung mit "Flügeln" entwickelt haben, die dafür sorgt, dass diese Materialien ihre Farbe ändern, wenn sie gedehnt oder gequetscht werden.
Kunststofffolien und Polymergele - weiche, mit Flüssigkeiten gefüllte 3D-Netzwerke - können biegbar, dehnbar oder komprimierbar sein. Und während die meisten Polymerfolien nur auseinanderbrechen, wenn man zu stark daran zieht, sind viele Gele nicht sehr stabil und brechen schon bei relativ geringem Druck. Dennoch gibt es keine Möglichkeit, vorherzusagen, wie widerstandsfähig das schwammige Material sein wird.
In früheren Forschungsarbeiten haben Shohei Saito und Kollegen V-förmige Moleküle entwickelt, die als "flapping molecular" (FLAP) Kraftsonden bekannt sind. FLAPs haben zwei flügelähnliche Seitenstrukturen, die sich unter Druck abflachen und einen Farbwechsel von blauer zu grüner Fluoreszenz verursachen. Diese Sonde funktionierte wie erwartet, wenn sie in einen Polyurethanfilm eingearbeitet wurde, aber wenn sie zu einem mit Flüssigkeit getränkten Polymergel hinzugefügt wurde, färbte sich die Verbindung spontan und ohne äußere Kraft grün fluoreszierend. Also machten sich Saito und Takuya Yamakado daran, das FLAP-Molekül so zu verbessern, dass es mechanische Spannungen sowohl in einem Polymergel als auch in einer Folie genau erkennen konnte.
Die Forscher änderten ihre frühere Version, indem sie die beiden Anthracenimid-Flügel durch Pyrenimid-Flügel ersetzten und sie an gegenüberliegenden Seiten der gleichen flexiblen zentralen Cyclooctatetraen-Verbindung anbrachten. Als sie die Sonde in einen Polymerfilm einbrachten und das Material dehnten, verschob sich die Fluoreszenz stark von blau nach grün. Sie erzeugte auch eine Farbveränderung, die mit dem bloßen Auge sichtbar war.
Als Nächstes bauten die Forscher die neue FLAP-Sonde in ein mit einem organischen Lösungsmittel getränktes Polyurethan-Gel ein, wodurch ein gelber Zylinder entstand, der blau fluoreszierte, und drückten das Material dann zusammen. Die Fluoreszenz des Zylinders wurde messbar grüner, je mehr Druck ausgeübt wurde. In ihrem letzten Test brachten die Forscher Metallbuchstaben F-L-A-P auf einem rechteckigen Block des Gels an. Anhand von Karten des Verhältnisses von grüner zu blauer Fluoreszenz berechneten sie den Druck, den jeder Buchstabe auf das darunter liegende Gel ausübte, wobei der Druck zwischen 0 und 1 MPa lag. Die Forscher sagen, dass diese Studie ihnen helfen könnte, zähere Gelmaterialien und nanoskalige Spannungssonden für Zellmembranen zu entwickeln.
Die Autoren bedanken sich für die Finanzierung durch ein PRESTO (FRONTIER)-Stipendium der Japanischen Wissenschafts- und Technologieagentur, ein FOREST-Stipendium der Japanischen Wissenschafts- und Technologieagentur, ein KAKENHI-Stipendium der Japanischen Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft, ein Stipendium der Japanischen Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft, die Inoue Foundation for Science und die Toray Science Foundation.
Weitere Informationen:
https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2022/acs-presspac-february-23-2022/colorfully-detecting-stressed-out-polymer-films-gels-before-they-break-video.html [This is automatically translated from English]