Das neue Polymer reagiert auf mechanische Beanspruchung fast wie Muskeln

Eine wichtige Fähigkeit von biologischem Gewebe wie Muskeln ist die Selbstheilung und Selbststärkung. Es

tritt als Reaktion auf Schäden auf, die durch verursacht werdendurch äußere Kräfte. Die meisten künstlichen Polymere werden bei ausreichender mechanischer Belastung irreversibel abgebaut, was sie beispielsweise für die Herstellung künstlicher Organe weniger nützlich macht. Aber was wäre, wenn man Polymere herstellen könnte, die chemisch auf mechanische Belastung reagieren und diese Energie nutzen, um ihre Eigenschaften zu verbessern? 

In einer aktuellen Studie veröffentlicht inAngewandte Chemie International Edition, eine Gruppe von Wissenschaftlern von Tokyo TechDas Institut der Yamagata-Universität und das Sagami-Institut für chemische Forschung in Japan haben erhebliche Fortschritte auf dem Gebiet der selbstverstärkenden Massensubstanzen erzielt. Ihr neues Polymer reagiert auf mechanische Belastung fast wie ein Muskel.

Synthetisierte segmentierte Polyurethane (SPU),enthält Di-Fluorenyl-Succinonitril (DFSN) -Fragmente und Methacryloylgruppen. Die resultierenden Elastomere bildeten rosa Cyanofluorenradikale und veränderten ihre Farbe, wenn sie komprimiert oder gedehnt wurden. Dies ist das erste Beispiel für kraftgetriebene Vernetzungsreaktionen, die nur durch Strecken oder Zusammenziehen eines Massenfilms erzielt werden. Bildnachweis: Tokyo Tech

Das Team entwickelte segmentiertes PolyurethanPolymerketten mit harten und weichen Funktionssegmenten. Die weichen Segmente enthalten DFSN-Moleküle, die als ihr „schwächstes Glied“ fungieren, wobei beide Hälften durch eine einzelne kovalente Bindung verbunden sind. Die Seitenketten der Weichsegmente enden in Methacryloyleinheiten. Wenn das Polymer mechanischer Belastung ausgesetzt wird, beispielsweise durch einfachen Druck oder Zug, spaltet sich das DFSN-Molekül in zwei gleiche Cyanofluoren (CF)-Radikale. Diese CF-Radikale erscheinen im Gegensatz zu DFSN rosafarben, sodass Schäden visuell leicht erkennbar sind.

Wir haben uns erfolgreich beispiellos entwickeltmechanoreaktive Polymere, die Farbänderung, Fluoreszenz und Selbstverstärkungsfähigkeit aufweisen. Dies ist ein bedeutender Fortschritt in der Grundlagenforschung der Mechanochemie und ihrer Anwendungen in der Materialwissenschaft.

Professor Hideyuki Otsuka leitete die Studie

Die attraktiven Eigenschaften und Funktionen der entwickelten Polymere sind beispielsweise zur intuitiven Schadenserkennung und zur Schaffung adaptiver Materialien nützlich.

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Die Mechanochemie ist ein Zweig der Chemie, der die Änderung der Eigenschaften von Substanzen und ihren Gemischen sowie physikalisch-chemische Umwandlungen unter mechanischer Beanspruchung während Verformung, Reibung und Stoßkompression untersucht.