A sinistra ci sono due film del polimero, con i complessi di rame incorporati come reticolanti. Sulla destra ci sono due fiale dei complessi di rame isolati, che sono stati sviluppati da Pradyna Patil, un ex borsista post-dottorato. I film polimerici e i complessi di rame isolati si illuminano alla luce ultravioletta. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
Gli scienziati dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno creato un polimero "intelligente" che rileva lo stress che brilla di più quando viene allungato. I ricercatori sperano di utilizzare il nuovo polimero per misurare le prestazioni dei polimeri sintetici e tenere traccia dell'usura dei materiali utilizzati nei settori dell'ingegneria e delle costruzioni.
Gli scienziati hanno sviluppato questo polimero incorporando complessi di rame, strutture formate collegando atomi di rame a molecole organiche (contenenti carbonio), in un polimero chiamato polibutilacrilato, che è costituito da una sostanza chimica utilizzata per sintetizzare vernici acriliche, adesivi e sigillanti.
I complessi di rame, che collegano tra loro le catene di polibutilacrilato, brillano naturalmente quando esposti alla luce ultravioletta, una proprietà nota come fotoluminescenza. Ma quando il polimero è allungato, i complessi di rame emettono luce ad una maggiore intensità, portando a un bagliore più luminoso. I complessi di rame agiscono quindi come meccanofori, composti che subiscono un cambiamento quando innescati da una forza meccanica.
La maggior parte dei meccanofori non è costituita da metalli come rame, ma da composti organici, che cambiano colore o emettono luce quando lo stress meccanico rompe un debole legame chimico. Ma i meccanofori che utilizzano questo meccanismo di rottura del legame hanno gravi limitazioni.
"È necessaria una forza relativamente grande per rompere il legame chimico, quindi il meccanoforo non è sensibile a piccole quantità di stress, " ha detto il dottor Ayumu Karimata, primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato dell'Unità di Chimica e Catalisi di Coordinamento dell'OIST (CCC), guidato dalla professoressa Julia Khusnutdinova. "Anche, il processo di rottura del legame è spesso irreversibile e quindi questi sensori di stress possono essere utilizzati solo una volta."
In contrasto, i nuovi meccanofori in rame sviluppati dall'unità CCC sono sensibili a sollecitazioni molto più piccole e possono rispondere in modo rapido e reversibile. Nello studio, pubblicato in Comunicazioni chimiche , gli scienziati hanno riferito che il film polimerico si è immediatamente illuminato e oscurato in risposta all'allungamento e al rilascio.
Gli scienziati hanno utilizzato una telecamera CCD per visualizzare direttamente i cambiamenti di luminosità mentre il polimero veniva allungato e rilasciato. Il falso colore rosso rappresenta un'elevata intensità luminosa e il falso colore blu rappresenta una bassa intensità luminosa.
Fare luce sul meccanismo
Composti fotoluminescenti, come questi complessi di rame, sono stati a lungo un argomento di interesse per l'unità CCC. Prima di fare il polimero, i ricercatori hanno sintetizzato complessi di rame isolati di varie dimensioni.
Il team ha scoperto che i complessi di rame erano molto dinamici, deformando continuamente la forma. Ma man mano che aumentavano di dimensioni, i complessi di rame diventavano meno flessibili e brillavano di più. L'unità CCC ritiene che il più grande, i complessi meno flessibili rilasciano la luce in modo più efficiente perché il loro movimento è limitato, e quindi perdono meno energia sotto forma di calore.
Il meccanoforo di rame collega insieme due catene polimeriche. Quando il polimero è allungato (forza =F), il meccanoforo si illumina di più. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
The copper complexes developed vary in size due to carbon chains of increasing length, highlighted by dashed circles. The larger molecules are less flexible, which increases the intensity of the photoluminescence emitted. Credit:Okinawa Institute of Science and Technology
The researchers realized they could exploit the relationship between the flexibility of the copper complexes and brightness to create a stress-detecting polymer.
"When the copper complexes are incorporated into the polymer as cross-links, the act of stretching the polymer also reduces the flexibility of the molecules, " explained Karimata. "This causes the copper complexes to luminesce more efficiently with greater intensity."
Although still a long way off, Dr. Karimata hopes that the acrylic polymer could eventually be adapted to create a stress-sensing acrylic paint. This could have valuable applications as a coating for different structures, such as bridges or the frames of cars and aircraft.
"As we can see even from the direct visualization of the polymer, stress is applied across a material in a non-uniform way, " said Karimata. "A stress-sensing paint would allow hotspots of stress on a material to be detected and could help prevent a structure from failing."
