I sensori di stress sono strumenti importanti quando si tratta di valutare la robustezza di un materiale sottoposto a forti forze meccaniche. I ricercatori dell'OIST hanno appena pubblicato in Materiale avanzato un articolo che riporta un nuovo tipo di molecole sensoriali che si illuminano quando il materiale in cui sono incorporate viene sottoposto a forti sollecitazioni meccaniche.

Tali molecole di rilevamento a base di luce, detti anche meccanofori fotoluminescenti, non sono nuovi, ma le applicazioni attualmente disponibili sono solo monouso. In genere implicherebbero una forza forte:compressione, torcendo o allungando, ad esempio, rompendo uno specifico legame chimico tra due atomi o separando in modo irreversibile due modelli molecolari nella molecola sensibile, modificando la lunghezza d'onda - e quindi il colore - della luce emessa dal meccanoforo. Una volta che queste molecole hanno cambiato radicalmente la loro struttura in risposta a questa forza, è estremamente difficile tornare alla situazione iniziale. Sebbene questi meccanofori siano utili per comprendere le proprietà meccaniche di un articolo o di un materiale, non si adattano bene per l'esposizione ripetuta a sollecitazioni meccaniche.

Per superare questo problema, Il dott. Georgy Filonenko e la prof.ssa Julia Khusnutdinova dell'unità di chimica e catalisi di coordinamento hanno progettato un meccanoforo fotoluminescente che conserva le sue proprietà nel tempo e in caso di sollecitazioni meccaniche ripetute. I ricercatori hanno incorporato la molecola sensibile allo stress in un comune materiale polimerico chiamato poliuretano, ampiamente utilizzato per oggetti di uso quotidiano da materassi e cuscini a gommoni, interni auto, colla per legno e persino spandex.

Gli scienziati hanno quindi allungato il materiale risultante con una forza crescente, innescando un bagliore corrispondentemente più luminoso sotto una luce ultravioletta. La reazione avviene entro centinaia di millisecondi, con conseguente aumento fino a due volte dell'intensità della luminescenza. Quando la trazione meccanica si ferma, il materiale polimerico e il meccanoforo tornano alla loro posizione iniziale, diminuendo la lettura della luce. Questo è fondamentale in quanto consente applicazioni ripetute di forza meccanica.

Questo nuovo meccanoforo è un composto fotoluminescente tratto da un lavoro recentemente pubblicato dal Dr. Filonenko e dal Prof. Khusnutdinova. Nonostante la sua struttura molto semplice, il composto è estremamente reattivo all'ambiente fisico che ha un impatto diretto sul colore visibile ad occhio nudo sotto una luce UV. Queste molecole sono state incorporate direttamente all'interno dei modelli ripetuti del materiale polimerico.

L'elevata mobilità delle molecole di meccanoforo nel polimero è risultata essere la chiave per le prestazioni del sensore. Poiché i meccanofori si muovevano rapidamente nel campione di polimero rilassato, la luminosità dell'emissione era bassa a causa di questi movimenti molecolari che impedivano al meccanoforo di emettere luce. Però, sottoporre il materiale a una forza meccanica ha rallentato efficacemente i movimenti della catena polimerica, consentendo al meccanoforo di emettere luce in modo più efficiente.

"Il nostro materiale mostra come una forza macroscopica, fondamentale come allungare un filo flessibile di materiale, può innescare in modo efficiente cambiamenti microscopici fino alle molecole isolate, " ha commentato il dottor Filonenko.