Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology progettano polimeri infusi con un'unità molecolare sensibile allo stress che risponde alle forze esterne attivando la loro fluorescenza. I ricercatori dimostrano che la fluorescenza dipende dall'entità della forza e mostrano che è possibile rilevare entrambi, deformazioni polimeriche reversibili e irreversibili, aprendo la porta all'esplorazione di nuovi regimi di forza nei polimeri.

Oltre a provocare il movimento fisico, le forze meccaniche possono guidare i cambiamenti chimici in modi controllati e produttivi, consentendo proprietà materiali desiderabili. Un modo per farlo è introdurre un cosiddetto meccanoforo nel materiale, unità molecolari sensibili allo stress o alla deformazione. Nello specifico, meccanofori meccanocromici, che alterano le loro proprietà ottiche in risposta a stimoli meccanici, sono molto utili per quantificare il loro ambiente meccanico locale.

Però, il meccanismo di risposta in gioco nella maggior parte dei meccanofori comporta la rottura dei legami chimici. Di conseguenza, richiedono forze meccaniche relativamente grandi per essere attivate e la loro risposta di solito non è reversibile. Per affrontare questi problemi, i ricercatori guidati dal Prof. Yoshimitsu Sagara del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) avevano precedentemente sviluppato meccanofori supramolecolari che mostrano l'attivazione/disattivazione istantaneamente reversibile della fluorescenza senza alcuna scissione dei legami covalenti. La sfida successiva del team è stata quella di determinare se dallo stesso motivo molecolare possono essere suscitate meccanorisposte sia reversibili che irreversibili.

In un nuovo Giornale della Società Chimica Americana studio, il team esplora questa domanda utilizzando un'insolita architettura molecolare chiamata "rotaxane" in cui una molecola a forma di manubrio è infilata attraverso un "anello" in modo tale da essere meccanicamente interconnessa, cioè l'"anello" non può essere normalmente estratto. Collegando una coppia quencher-emettitore al rotaxano e selezionando le dimensioni appropriate di porzioni di anello e tappo, il team dimostra un nuovo tipo di risposta meccanoforica che può essere reversibile o irreversibile, a seconda dell'entità della forza applicata (Figura 1).

"Quando non viene applicata alcuna forza, l'interazione attrattiva mantiene l'anello contenente l'emettitore vicino al quencher fissato sull'asse del rotaxano, in modo che l'emissione sia spenta, " spiega Sagara. "Applicando una forza debole, l'emettitore viene allontanato dal quencher, e la sua fluorescenza è accesa. Questo effetto è reversibile, a meno che la forza non sia sufficientemente elevata da spingere l'anello oltre il tappo in modo che si verifichi una svitatura irreversibile."

Indagando su un insieme accuratamente progettato di diversi rotassani, il team ha dimostrato che la combinazione di porzioni di anello e tappo opportunamente selezionate aventi le giuste dimensioni è cruciale per ottenere strutture interconnesse che mostrino tale doppia risposta. I ricercatori della Tokyo Tech hanno collaborato con i partner svizzeri dell'Istituto Adolphe Merkle dell'Università di Friburgo per incorporare i nuovi meccanofori nelle gomme poliuretaniche elastiche. Questi materiali che mostrano variazioni di fluorescenza reversibili su molti cicli di allungamento e rilascio a basse deformazioni, grazie alla funzione di spola, mentre si osservavano cambiamenti permanenti quando le gomme venivano sottoposte a ripetute deformazioni ad elevate sollecitazioni dovute allo sfilamento dell'anello dall'asse. "Questo meccanismo permette di almeno concettualmente, per monitorare l'effettiva deformazione dei materiali polimerici ed esaminare i danni meccanici inflitti in passato sulla base di un segnale ottico" afferma Sagara.

Speculando le possibili implicazioni dei loro risultati, un euforico Sagara commenta, "Estendere l'attuale libreria di meccanofori con i nostri candidati a base di rotaxano sarebbe utile per studiare le proprietà meccaniche non solo dei polimeri ma anche delle cellule e dei tessuti, poiché i nostri meccanofori possono rispondere a forze molto più piccole rispetto a quelle che comportano la scissione del legame chimico".

In poche parole, rotaxanes potrebbe pervadere tutta la scienza naturale.