Такие светочувствительные молекулы, также называемые фотолюминесцентными механофорами, не новы, но доступные в настоящее время приложения являются только одноразовыми. Обычно они включают в себя сильную силу — например, сжатие, скручивание или растяжение — разрушение определенной химической связи между двумя атомами или необратимое разрушение двух молекулярных структур в воспринимающей молекуле, изменение длины волны и, следовательно, цвета свет, излучаемый механофором. Как только эти молекулы радикально изменили свою структуру в ответ на эту силу, очень трудно вернуться к исходной ситуации. Хотя эти механофоры полезны для понимания механических свойств предмета или материала, они не подходят для многократного воздействия механического напряжения.
Чтобы решить эту проблему, доктор Георгий Филоненко и профессор Юлия Хуснутдинова из отдела координационной химии и катализа разработали фотолюминесцентный механофор, который сохраняет свои свойства с течением времени и в условиях повторяющихся механических нагрузок. Исследователи включили молекулу, чувствительную к стрессу, в обычный полимерный материал, называемый полиуретаном, который широко используется для изготовления предметов повседневного обихода от матрасов и подушек до надувных лодок, салонов автомобилей, столярного клея и даже спандекса.
Затем ученые растягивали полученный материал с возрастающей силой, вызывая соответственно более яркое свечение в ультрафиолетовом свете. Реакция происходит в течение сотен миллисекунд, что приводит к двукратному увеличению интенсивности люминесценции. Когда механическая тяга прекращается, полимерный материал и механофор возвращаются в исходное положение, уменьшая световое считывание. Это очень важно, поскольку позволяет многократно прикладывать механическую силу.
Этот новый механофор представляет собой фотолюминесцентное соединение из недавно опубликованной работы доктора Филоненко и профессора Хуснутдиновой. Несмотря на очень простую структуру, состав чрезвычайно чувствителен к физической среде, которая напрямую влияет на цвет, видимый невооруженным глазом в УФ-свете. Эти молекулы были включены непосредственно в повторяющиеся узоры полимерного материала.
Было обнаружено, что высокая подвижность молекул механофоров в полимере является ключом к характеристикам сенсора. Поскольку механофоры быстро перемещались в релаксированном полимерном образце, яркость излучения была низкой из-за этих молекулярных движений, препятствующих излучению света механофором.
Однако воздействие на материал механической силы эффективно замедляет движения полимерной цепи, позволяя механофору более эффективно излучать свет.«Наш материал показывает, как макроскопическая сила, такая простая, как растяжение гибкой нити материала, может эффективно запускать микроскопические изменения вплоть до изолированных молекул», — прокомментировал доктор Филоненко.