Химики заставили полимеры светиться под нагрузкой
В Токийском научном институте нашли простой способ сделать готовый полимер светящимся под механической нагрузкой. Конструкции из таких «умных» материалов, по сути, обретают функции датчика повреждений и уязвимостей.
Полимерные материалы — пластмассы, резины и им подобные — занимают важнейшее место в повседневной жизни. Отслеживать, где именно внутри них концентрируются механические напряжения, непросто. Вот если бы материал мог сам визуально указывать на зоны напряжений или повреждений!
Решение кажется очевидным: добавить в состав полимера механофоры — частицы со способностью флуоресцировать в ответ на механическую нагрузку. Но не все так просто: механофоры в виде простой присадки плохо улавливают механическое воздействие, а если их вводить на этапе синтеза в качестве одного из реактивов, это ухудшает свойства пластмассы и не вполне применимо в промышленном производстве.
Технология японских химиков-материаловедов описана на страницах Advanced Materials. Они разработали постсинтетический способ смешения содержащего механофор полимера со стирол-бутадиен-стирольным (СБС) блок-сополимером, при котором исходный материал не подвергается химической модификации.
Ученые синтезировали полистирол, содержащий механофор тетраарилсукцинонитрил (ТАСН), и смешали его с коммерчески доступным СБС. Поскольку химический состав добавленного полимера совпадает с составом полистироловых доменов в СБС, он селективно локализуется именно в этих жестких областях за счет микрофазового разделения. Такое распределение позволяет эффективно передавать механическое напряжение от окружающей полимерной матрицы к механофорам, при этом никаких химических изменений в исходном материале не требуется.
При растяжении полученного материала механическая сила вызывает разрыв связи в молекуле ТАСН, что приводит к образованию высокофлуоресцентных радикалов диарилацетонитрила. В ультрафиолетовых лучах эти радикалы отчетливо светятся желто-зеленым светом — что служит прямым визуальным сигналом о повреждении.
Опыты с новинкой показали, что эффект обратим — по мере рекомбинации образовавшихся радикалов флуоресценция угасала, а после 24-часового отдыха материала могла вновь проявится в результате повторного растяжения образца. Примечательно, что свечение возникает только при превышении предела текучести.
В будущем подход может быть распространен на другие полимеры с фазовым разделением и иные функциональные молекулы, что открывает путь к созданию более «умных» материалов, способных визуализировать механические нагрузки и повреждения.
