I ricercatori dell'Adolphe Merkle Institute (AMI) dell'Università di Friburgo e dell'Università di Hokkaido in Giappone hanno sviluppato un metodo per adattare le proprietà delle molecole che indicano lo stress che possono essere integrate nei polimeri e segnalare danni o carichi meccanici eccessivi con un segnale ottico.

Nell'ambito delle loro attività di ricerca all'interno del National Center of Competence in Research Bio-inspired Materials, Professor Christoph Weder, la cattedra di Polymer Chemistry and Materials all'AMI, e il suo team stanno studiando polimeri che cambiano il loro colore o le caratteristiche di fluorescenza quando vengono posti sotto carico meccanico. L'approccio prevalente per ottenere questa funzione si basa su molecole sensore appositamente progettate che contengono legami chimici deboli che si rompono quando la forza meccanica applicata supera una certa soglia. Questo effetto può causare un cambiamento di colore o altre risposte predefinite. Un limite fondamentale di questo approccio, però, è che i legami deboli possono anche rompersi per esposizione alla luce o al calore. Questa mancanza di specificità riduce l'utilità pratica dei polimeri che indicano lo stress. Normalmente rende anche l'effetto irreversibile.

Affrontando questo problema, Weder e il dottor Yoshimitsu Sagara, un ricercatore giapponese che ha trascorso due anni nel gruppo di Weder all'AMI prima di entrare a far parte dell'Università di Hokkaido come assistente professore, hanno ideato un nuovo tipo di molecola sensore che può essere attivata solo dalla forza meccanica. A differenza delle precedenti molecole che trasducono la forza, non avviene alcuna rottura del legame chimico. Anziché, le nuove molecole sensoriali sono costituite da due parti che si incastrano meccanicamente. Questa interconnessione impedisce la separazione delle due parti, pur consentendo loro di essere spinti insieme o allontanati l'uno dall'altro. Tale spinta e trazione molecolare fa sì che la fluorescenza della molecola cambi da spenta a accesa.

In una nuova pubblicazione sulla rivista ad accesso libero Scienze Centrali ACS , Weder, Sagara, ei loro collaboratori riferiscono che questo nuovo concetto è robusto e versatile. "L'approccio progettuale consente di personalizzare le proprietà di tali molecole sensore, poiché il loro comportamento è abbastanza prevedibile, " spiega Weder. "Abbiamo scelto di dimostrarlo affrontando materiali che mostrano una fluorescenza bianca quando vengono allungati, " aggiunge Sagara. "La fluorescenza bianca meccanosensibile è generalmente difficile da ottenere. Richiede la combinazione di tre molecole sensore con colori di emissione predefiniti:blu, verde, e rosso (o arancione). Inoltre, le molecole del sensore devono anche mostrare una risposta simile allo stress meccanico per ottenere la commutazione ON/OFF dell'emissione bianca quando vengono miscelate."

Come inteso, i polimeri contenenti i nuovi motivi non emettono fluorescenza in assenza di forza meccanica, ma diventano brillantemente fluorescenti, rossi, verde, o blu, quando viene utilizzato un solo tipo di molecola sensore, bianco quando sono combinati, quando sono allungati. Perché nessun legame chimico è rotto, il processo è anche completamente reversibile. Così, quando le nuove molecole sensore sono state incorporate in un polimero elastico, la fluorescenza è stata attivata quando il materiale è stato allungato, e spento quando la forza è stata rimossa e il materiale contratto. Inoltre, l'intensità della fluorescenza, o luminosità, ha dimostrato di correlare con l'entità della deformazione.

Le potenziali applicazioni per tali materiali includono monitor integrati che inviano segnali di avvertimento visivi prima che una parte si guasti, o che consentono agli ingegneri di mappare le sollecitazioni nelle parti sotto carico e aiutarli a progettarle meglio. Le molecole sensore promettono anche di essere utili per fondamentali, indagini a livello molecolare dei meccanismi di trasferimento dello stress nei materiali sintetici e nei sistemi biologici.

Il team svizzero-giapponese sta attualmente collaborando per semplificare ulteriormente il design per un'espansione del concetto a materiali che cambiano colore, invece della loro fluorescenza. La risposta di tali motivi potrebbe essere ispezionata senza alcun mezzo ausiliario e sarebbe quindi più utile per applicazioni pratiche.