Gestresste Polymerfolien farblich erkennen, gelieren bevor sie brechen

Dehnbare Folien und matschige Gele tragen dazu bei, tragbare Elektronik, weiche Robotik und biokompatible Gewebe Wirklichkeit werden zu lassen. Aber zu viel Kraft kann dazu führen, dass diese Polymere ohne Vorwarnung auseinanderbrechen. Um Stress zu erkennen, bevor es zu spät ist, berichten Forscher in der Zeitschrift der American Chemical Society zeigen, dass sie eine Verbindung mit „Flügeln“ entworfen haben, die diese Materialien ihre Farbe ändern lässt, wenn sie gedehnt oder gestaucht werden.

Plastische Filme und Polymergele – weiche, mit Flüssigkeiten gefüllte 3D-Netzwerke – können biegsam, dehnbar oder komprimierbar sein. Und während die meisten Polymerfilme nur auseinanderbrechen, wenn sie zu weit gezogen werden, sind viele Gele nicht sehr stark und brechen unter relativ geringem Druck. Wie zäh das schwammige Material sein wird, lässt sich jedoch nicht vorhersagen. In früheren Forschungsarbeiten entwickelten Shohei Saito und Kollegen V-förmige Moleküle, die als Schlagkraftsonden (FLAP) bekannt sind. FLAPs haben zwei Seitenstrukturen, die Flügeln ähneln, die sich unter Druck abflachen und einen Farbwechsel von blauer zu grüner Fluoreszenz verursachen. Diese Sonde funktionierte wie erwartet, wenn sie in einen Polyurethanfilm eingebaut wurde, aber wenn sie zu einem mit Flüssigkeit getränkten Polymergel hinzugefügt wurde, wurde die Verbindung spontan ohne äußere Kraft fluoreszierend grün. Also machten sich Saito und Takuya Yamakado daran, das FLAP-Molekül so zu verbessern, dass es mechanische Spannungen sowohl in einem Polymergel als auch in einem Film genau erkennt.

Die Forscher modifizierten ihre frühere Version, indem sie die beiden Anthracenimid-Flügel durch Pyrenimid-Flügel ersetzten und sie an gegenüberliegenden Seiten desselben flexiblen zentralen Cyclooctatetraen-Gelenks befestigten. Als sie die Sonde in einen Polymerfilm einführten und das Material streckten, verschob sich dessen Fluoreszenz stark von blau nach grün. Es erzeugte auch eine Farbänderung, die mit bloßem Auge sichtbar war. Als nächstes bauten die Forscher die neue FLAP-Sonde in ein mit einem organischen Lösungsmittel getränktes Polyurethangel ein, wodurch ein gelber Zylinder entstand, der blau fluoreszierte, und komprimierten dann das Material. Je mehr Druck ausgeübt wurde, desto grüner wurde die Fluoreszenz des Zylinders. In ihrem abschließenden Test platzierten die Forscher Metallbuchstaben FLAP auf einem rechteckigen Block des Gels. Sie verwendeten Karten des Grün-zu-Blau-Fluoreszenzverhältnisses, um den Druck zu berechnen, den jeder Buchstabe auf dem Gel darunter platzierte, der von 0 bis 1 MPa reichte. Die Forscher sagen, dass diese Studie ihnen helfen könnte, härtere Gelmaterialien und Spannungssonden im Nanomaßstab für Zellmembranen zu entwickeln.