Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology ontwerpen polymeren doordrenkt met een stressgevoelige moleculaire eenheid die reageren op externe krachten door hun fluorescentie in te schakelen. De onderzoekers tonen aan dat de fluorescentie afhankelijk is van de grootte van de kracht en laten zien dat het mogelijk is om zowel omkeerbare als onomkeerbare polymeervervormingen te detecteren, wat de deur opent naar de verkenning van nieuwe krachtregimes in polymeren.
Naast het veroorzaken van fysieke beweging, kunnen mechanische krachten chemische veranderingen op gecontroleerde en productieve manieren aandrijven, waardoor gewenste materiaaleigenschappen mogelijk worden. Een manier om dit te doen is door een zogenaamde mechanofoor in het materiaal aan te brengen, moleculaire eenheden die gevoelig zijn voor stress of spanning. specifiek, mechanochrome mechanoforen, die hun optische eigenschappen veranderen als reactie op mechanische stimuli, zijn heel nuttig bij het kwantificeren van hun lokale mechanische omgeving.
Het reactiemechanisme dat in de meeste mechanoforen speelt, omvat echter het verbreken van chemische bindingen. Bijgevolg vereisen ze relatief grote mechanische krachten om te worden geactiveerd en is hun reactie meestal niet omkeerbaar. Om deze problemen aan te pakken, hadden onderzoekers onder leiding van prof. Yoshimitsu Sagara van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) eerder supramoleculaire mechanoforen ontwikkeld die direct omkeerbare aan/uit-schakeling van fluorescentie laten zien zonder enige splitsing van covalente bindingen. De volgende uitdaging van het team was om te bepalen of zowel omkeerbare als onomkeerbare mechanoresponsen kunnen worden opgewekt uit hetzelfde moleculaire motief.
In een nieuwe studie van de Journal of the American Chemical Society onderzoekt het team deze vraag met behulp van een ongebruikelijke moleculaire architectuur genaamd "rotaxaan", waarin een haltervormig molecuul door een "ring" wordt geregen zodat ze mechanisch in elkaar grijpen, dwz de "ring". ” kan normaal niet worden uitgetrokken. Door een quencher-emitter-paar aan het rotaxaan te bevestigen en de juiste maten ring- en stopdelen te selecteren, demonstreert het team een nieuw type mechanofoorreactie die omkeerbaar of onomkeerbaar kan zijn, afhankelijk van de grootte van de uitgeoefende kracht (Figuur 1).
"Als er geen kracht wordt uitgeoefend, houdt de aantrekkelijke interactie de emitter-bevattende ring bij de quencher op de as van de rotaxaan gefixeerd, zodat de emissie wordt geblust", legt Sagara uit. “Bij het uitoefenen van een zwakke kracht wordt de zender van de quencher verwijderd en wordt de fluorescentie ingeschakeld. Dit effect is omkeerbaar, tenzij de kracht voldoende groot is om de ring voorbij de stop te duwen, zodat onomkeerbare draadonttrekking optreedt.”
Door een zorgvuldig ontworpen set van verschillende rotaxanen te onderzoeken, toonde het team aan dat de combinatie van op de juiste wijze geselecteerde ring- en stopdelen met de juiste grootte cruciaal is om in elkaar grijpende structuren te verkrijgen die een dergelijke dubbele respons vertonen. Tokyo Tech-onderzoekers werkten samen met Zwitserse partners van het Adolphe Merkle Institute van de Universiteit van Fribourg om de nieuwe mechanoforen in elastische polyurethaanrubbers te verwerken. Deze materialen die reversibele fluorescentieveranderingen vertonen gedurende vele rek-en-los cycli tot lage spanningen, als gevolg van de pendelfunctie, terwijl permanente veranderingen werden waargenomen wanneer de rubbers werden onderworpen aan herhaalde vervormingen tot hoge spanningen als gevolg van het ontsnijden van de ring van de as . "Met dit mechanisme kan men, althans conceptueel, de werkelijke vervorming van polymeermaterialen volgen en mechanische schade onderzoeken die in het verleden is toegebracht op basis van een optisch signaal", zegt Sagara.
Speculerend over de mogelijke implicaties van hun resultaten, merkt een opgetogen Sagara op: "Het uitbreiden van de huidige bibliotheek van mechanoforen met onze op rotaxaan gebaseerde kandidaten zou nuttig zijn voor het bestuderen van de mechanische eigenschappen van niet alleen polymeren, maar ook van cellen en weefsels, aangezien onze mechanoforen kunnen reageren op veel kleinere krachten in vergelijking met die bij het splitsen van chemische bindingen.”
Simpel gezegd, rotaxanen zouden de hele natuurwetenschap kunnen doordringen!
###
Over het Tokyo Institute of Technology
Tokyo Tech staat in de voorhoede van onderzoek en hoger onderwijs als de toonaangevende universiteit voor wetenschap en technologie in Japan. Tokyo Tech-onderzoekers blinken uit op gebieden variërend van materiaalkunde tot biologie, informatica en natuurkunde. Opgericht in 1881, herbergt Tokyo Tech meer dan 10,000 niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten per jaar, die zich ontwikkelen tot wetenschappelijke leiders en enkele van de meest gewilde ingenieurs in de industrie. De Tokyo Tech-gemeenschap belichaamt de Japanse filosofie van 'monotsukuri', wat 'technisch vernuft en innovatie' betekent, en streeft ernaar een bijdrage te leveren aan de samenleving door middel van hoogwaardig onderzoek.
https: /
Over Japan Science and Technology Agency (JST)
Japan Science and Technology Agency (JST), een geavanceerd netwerkgebaseerd onderzoeksinstituut dat de state-of-the-art R&D-projecten promoot, zal samen met de samenleving de weg vrijmaken voor co-creatie van innovatie voor de wereld van morgen.
https: /
PlatoAi. Web3 opnieuw uitgevonden. Gegevensintelligentie versterkt.
