Una capacità affascinante e cruciale del tessuto biologico, come muscoli, è autoguarigione e auto-rafforzamento in risposta a danni causati da forze esterne. La maggior parte dei polimeri prodotti dall'uomo, d'altra parte, rompersi irreversibilmente sotto sufficiente stress meccanico, il che li rende meno utili per alcune applicazioni critiche come la produzione di organi artificiali. Ma cosa accadrebbe se potessimo progettare polimeri che reagiscono chimicamente a stimoli meccanici e usassero questa energia per migliorare le loro proprietà?

Questo obiettivo, che si è rivelata una grande sfida, è sotto i riflettori nel campo della meccanochimica. In un recente studio pubblicato su Angewandte Chemie Edizione Internazionale , un team di scienziati della Tokyo Tech, Università di Yamagata, e Sagami Chemical Research Institute, Giappone, ha compiuto notevoli progressi con i polimeri autorinforzanti sfusi. Professor Hideyuki Otsuka, che ha condotto lo studio, spiega la loro motivazione:"Aumentare lo sviluppo di eleganti sistemi di massa in cui una reazione indotta dalla forza provoca un chiaro cambiamento nelle proprietà meccaniche rappresenterebbe un progresso rivoluzionario nella meccanochimica, chimica dei polimeri, e scienza dei materiali." Hanno raggiunto questo obiettivo concentrandosi sul difluorenilsuccinonitrile (DFSN), un 'meccanoforo' o molecola che risponde allo stress meccanico.

Il team ha creato catene polimeriche segmentate in poliuretano con segmenti funzionali duri e morbidi. I segmenti molli contengono molecole DFSN che agiscono come il loro "anello più debole, " con entrambe le sue metà unite da un singolo legame covalente. I segmenti morbidi hanno anche le loro catene laterali ricoperte da unità metacriloiliche. Applicando uno stress meccanico, come la semplice compressione o estensione, sul polimero, la molecola DFSN si divide in due radicali uguali di cianofluorene (CF). Questi radicali CF, a differenza di DFSN, acquisire un colore rosa, rendendo facile rilevare visivamente i danni meccanici.

Più importante, i radicali CF reagiscono con le unità metacriloiliche nelle catene laterali di altri polimeri, inducendo polimeri separati ad agganciarsi chimicamente l'uno all'altro in un processo noto come reticolazione. Questo fenomeno alla fine fa aumentare la resistenza complessiva del materiale sfuso man mano che i polimeri diventano più intrecciati chimicamente. Questo effetto di reticolazione chimica, come gli scienziati hanno dimostrato sperimentalmente, diventa più pronunciato man mano che vengono eseguiti più cicli di compressione sui campioni di polimero segmentato perché più molecole di DFSN vengono scisse in radicali CF.

Inoltre, il team ha creato una leggera variante del loro polimero segmentato che non solo diventa rosa, ma mostra anche fluorescenza sotto l'irradiazione ultravioletta quando viene applicata una forza meccanica. Questa funzionalità è utile quando si cerca di quantificare in modo più accurato l'entità del danno causato dallo stress meccanico.

Le proprietà e le funzionalità attraenti dei polimeri sviluppati sono utili, Per esempio, per il rilevamento intuitivo dei danni e la creazione di materiali adattivi. Esprimendo entusiasmo per le loro scoperte, Otsuka osserva:"Abbiamo sviluppato con successo polimeri meccanoreattivi senza precedenti che mostrano cambiamenti di colore, fluorescenza, e capacità di auto-rafforzamento, segnando il primo rapporto di reazioni di reticolazione indotte dalla forza ottenute semplicemente dall'estensione o dalla compressione di un film di massa. I nostri risultati rappresentano un progresso significativo nella ricerca fondamentale della meccanochimica e delle sue applicazioni nella scienza dei materiali".

Man mano che vengono sviluppati materiali più meccano-reattivi con funzioni uniche, possiamo aspettarci di esplorare la loro miriade di applicazioni in vari campi industriali e ingegneristici. Assicurati di tenere d'occhio gli ulteriori progressi nella meccanochimica!