04.02.2021 - Tokyo Institute of Technology

Eine Kraftdemonstration: Neuartiges Polymer, das bei mechanischer Beanspruchung zäh wird und die Farbe ändert

Eine faszinierende und entscheidende Fähigkeit von biologischem Gewebe, wie z. B. Muskeln, ist die Selbstheilung und Selbstverstärkung als Reaktion auf Schäden, die durch äußere Kräfte verursacht werden. Die meisten vom Menschen hergestellten Polymere hingegen brechen bei ausreichender mechanischer Belastung irreversibel, was sie für bestimmte kritische Anwendungen wie die Herstellung künstlicher Organe weniger nützlich macht. Aber was wäre, wenn wir Polymere entwerfen könnten, die chemisch auf mechanische Reize reagieren und diese Energie nutzen, um ihre Eigenschaften zu verbessern?

Dieses Ziel, das sich als große Herausforderung erweist, steht im Mittelpunkt des Interesses im Bereich der Mechanochemie. In einer kürzlich in der Angewandten Chemie International Edition veröffentlichten Studie hat ein Team von Wissenschaftlern der Tokyo Tech, der Yamagata University und des Sagami Chemical Research Institute, Japan, bemerkenswerte Fortschritte bei der Entwicklung von selbstverstärkenden Massenpolymeren erzielt. Professor Hideyuki Otsuka, der die Studie leitete, erklärt ihre Motivation: "Die Entwicklung von eleganten Bulk-Systemen, in denen eine kraftinduzierte Reaktion eine deutliche Veränderung der mechanischen Eigenschaften bewirkt, würde einen bahnbrechenden Fortschritt in der Mechanochemie, Polymerchemie und Materialwissenschaft darstellen." Sie erreichten dieses Ziel, indem sie sich auf Difluorenylsuccinonitril (DFSN) konzentrierten, ein "Mechanophor" oder Molekül, das auf mechanische Belastung reagiert.

Das Team schuf segmentierte Polyurethan-Polymerketten mit sowohl harten als auch weichen Funktionssegmenten. Die weichen Segmente enthalten DFSN-Moleküle, die als "schwächstes Glied" fungieren, wobei ihre beiden Hälften durch eine einzige kovalente Bindung verbunden sind. Auch die Seitenketten der Weichsegmente sind mit Methacryloyl-Einheiten versehen. Bei mechanischer Beanspruchung des Polymers, z. B. bei einfacher Kompression oder Dehnung, spaltet sich das DFSN-Molekül in zwei gleiche Cyanofluoren (CF)-Radikale. Diese CF-Radikale färben sich im Gegensatz zu DFSN rosa, so dass eine mechanische Beschädigung visuell leicht zu erkennen ist.

Vor allem aber reagieren die CF-Radikale mit den Methacryloyl-Einheiten in den Seitenketten anderer Polymere, so dass sich die einzelnen Polymere in einem Prozess, der als Vernetzung bezeichnet wird, chemisch aneinander verhaken. Dieses Phänomen führt letztlich dazu, dass die Gesamtfestigkeit des Bulkmaterials steigt, da die Polymere chemisch stärker miteinander verflochten werden. Dieser chemische Vernetzungseffekt wird, wie die Wissenschaftler experimentell nachweisen konnten, umso ausgeprägter, je mehr Kompressionszyklen an den segmentierten Polymerproben durchgeführt werden, da mehr DFSN-Moleküle in CF-Radikale gespalten werden.

Außerdem stellte das Team eine leichte Variante ihres segmentierten Polymers her, die sich nicht nur rosa färbt, sondern unter ultravioletter Bestrahlung auch Fluoreszenz zeigt, wenn mechanische Kraft auf sie ausgeübt wird. Diese Funktionalität ist nützlich, wenn man versucht, das Ausmaß der Schädigung durch mechanische Belastung genauer zu quantifizieren.

Die attraktiven Eigenschaften und Funktionalitäten der entwickelten Polymere sind zum Beispiel für die intuitive Schadenserkennung und die Schaffung von adaptiven Materialien nützlich. Otsuka äußert sich begeistert über die Ergebnisse: "Wir haben erfolgreich noch nie dagewesene mechanoresponsive Polymere entwickelt, die einen Farbwechsel, Fluoreszenz und die Fähigkeit zur Selbstverfestigung aufweisen und damit den ersten Bericht über kraftinduzierte Vernetzungsreaktionen durch einfache Dehnung oder Kompression eines Bulkfilms darstellen. Unsere Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Grundlagenforschung der Mechanochemie und ihrer Anwendungen in der Materialwissenschaft dar."

Da mehr mechano-responsive Materialien mit einzigartigen Funktionen entwickelt werden, können wir erwarten, dass wir ihre unzähligen Anwendungen in verschiedenen industriellen und technischen Bereichen erforschen. Halten Sie die Augen offen nach weiteren Fortschritten in der Mechanochemie!

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