Untersuchung von Polymergelen durch die Linse der Mechanochemie und Lösungsmittelquellung

Polymergele sind zu einer Grundtechnologie in verschiedenen Bereichen geworden, die von Optik und Arzneimittelabgabe bis hin zu Kohlenstoffabscheidung und Batterien reichen. Es gibt jedoch noch viele offene Fragen zu Gelen und ihrer Netzwerkstruktur, was die Wissenschaftler daran gehindert hat, ihre bemerkenswerten makroskopischen Eigenschaften mit bestimmten molekularen Mechanismen in Verbindung zu bringen.

Eine interessante Möglichkeit, dieses Rätsel anzugehen, besteht darin, es aus der Perspektive der Mechanochemie zu untersuchen; dh chemische Reaktionen, die durch mechanische Reize wie Kompression, Dehnung und Schleifen ausgelöst werden. Um diesen Prozess zu erleichtern, können Wissenschaftler Mechanophore in Polymernetzwerke einweben. Dies sind Moleküle, die vorhersagbaren chemischen Veränderungen unterliegen, wenn sie mechanischer Belastung ausgesetzt werden. Während es viele Möglichkeiten gibt, mechanische Kräfte anzuwenden, um Mechanophore in einem Gel zu aktivieren, wurde eine viel weniger detailliert untersucht als andere: Lösungsmittelquellung.

Motiviert durch diese Wissenslücke beschlossen zwei Forscher des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, sich auf die quellinduzierte Mechanochromie (oder eine durch mechanische Reize induzierte Farbänderung) in Polymergelen zu konzentrieren. In ihrer neuesten Studie, veröffentlicht in Internationale Ausgabe der Angewandten Chemieverwendeten die Forscher eine innovative Strategie, um ein Gel sehr empfindlich gegenüber den durch Lösungsmittelquellung induzierten mechanischen Kräften zu machen, während es gleichzeitig eine bemerkenswerte Farbänderung bei der Aktivierung sorgfältig ausgewählter Mechanophore aufwies.

Der fragliche Ansatz beruht auf der Schaffung eines Multinetzwerk-Polymers. Dieser Prozess beginnt mit der Synthese eines ersten Netzwerks, in dem die Polymerketten durch einen Mechanophor namens Difluorenylsuccinonitril (DFSN) verbunden sind. Dann wird dieses erste Netzwerk mit Monomeren gefüllt und gestreckt, die die Bausteine ​​für ein zweites Netzwerk sind, das mit dem ersten Netzwerk verwoben wird.

Nach erneutem Wiederholen des vorherigen Schritts und Einführen eines dritten Netzwerks wird das ursprüngliche erste Netzwerk schließlich bis zu einem Punkt gedehnt, an dem die DFSN-Linker selbst bei einer geringfügigen Volumenausdehnung, die durch Lösungsmittelquellung verursacht wird, brechen können. Am wichtigsten ist, dass die DFSN-Mechanophore, wenn sie in Cyanofluoren(CF)-Radikale gespalten werden, eine rosa Farbe annehmen, die leicht makroskopisch beobachtet werden kann.

Mit dieser innovativen Strategie konnten die Forscher die durch verschiedene Lösungsmittel induzierte Quellung bei verschiedenen Arten von Multinetzwerk-Polymeren untersuchen und vergleichen. Sie untersuchten auch die Unterschiede in der mechanischen Aktivierung, die durch Lösungsmittelquellung und unidirektionales Strecken verursacht werden, sowie die Änderungen in der thermischen Reaktivität von DFSN. Schließlich analysierten sie, warum die rosafarbenen CF-Radikale so stabil waren, obwohl die thermodynamische Theorie nahelegte, dass sie sich im Laufe der Zeit zu den ursprünglichen DFSN-Linkern rekombinieren sollten.

Es ist erwähnenswert, dass die Erkenntnisse, die für die in dieser Studie verwendeten Polymere gewonnen wurden, auch für andere Verbindungen gelten, wie Professor Hideyuki Otsuka, korrespondierender Autor der Veröffentlichung, anmerkt: „Die untersuchten Phänomene sind nicht auf Mehrnetzwerk-Polymersysteme beschränkt, sie können es auch sein beobachtet in anderen Polymeren mit einzigartigen Konformationen, wie Polyelektrolyten und topologisch komplexen Polymeren.“

Insgesamt werfen die Ergebnisse dieser Studie ein dringend benötigtes Licht auf den Prozess des Quellens in Polymernetzwerken. Dies könnte wiederum zu neuartigen Materialdesigns führen, wie Professor Otsuka kommentiert: „Die durch Quellkraft induzierten mechanochemischen Reaktionen und die verbesserte thermische Reaktivität, die in unserer Arbeit gezeigt wurden, veranschaulichen, dass die Verwendung von Multinetzwerk-Polymeren nicht nur zu unserem Verständnis der Quelldynamik beiträgt, sondern eröffnet auch neue Wege für das Design von Stimuli-responsiven Polymermaterialien.“