Dans une étape vers des matériaux plus intelligents, des chercheurs de l'Institut des sciences Tokyo ont collaboré avec des chercheurs de Suisse pour développer une molécule intelligente de la charnière qui peut indiquer une contrainte mécanique dans les matériaux polymères par fluorescence.
En utilisant un cadre de (2.2) paracyclophane et de deux luminophores à base de pyrène (composés émettants de la lumière), la molécule développée présente une excellente détection de contraintes avec une forte durabilité – offrant un outil puissant pour une surveillance en temps réel des dommages mécaniques.
Des polymères flexibles comme les élastomères sont utilisés partout, des coussins dans des chaussures et des meubles pour les pare-chocs et les dispositifs médicaux. Cependant, lorsque de tels matériaux subissent une contrainte mécanique excessive, les dommages commencent souvent au niveau moléculaire bien avant d'être visible à la surface.
L'évaluation de ces dommages est essentielle pour assurer la durabilité de ces matériaux. Cette exigence a conduit l'invention de mécanophores mécanochromiques – des cadres moléculaires qui peuvent répondre aux stimuli mécaniques avec un changement de couleur de luminescence.
En approfondissant cela, un groupe de chercheurs dirigés par le professeur agrégé Yoshimitsu Sagara de la School of Materials and Chemical Technology, Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japon, et le professeur Christoph Weder de la nouvelle classe de mécanophores de la Friborg, de la Switzerl (2.2) Paracyclophane.
Les résultats du système développé ont été publiés en ligne dans Édition internationale d'Angewandte Chemie.
Traditionnellement, la détection mécanique reposait en grande partie sur le dopage de colorant formant des excimères ou introduisant de manière covalente les mécanophores dont les mécanismes de travail reposent sur la rupture des liaisons covalentes.
Alors que le dopage du colorant offrait une détection réversible, son comportement mécanique dépendait fortement de la nature du polymère et des conditions de traitement. Alors que les mécanophores covalents indiquent des signaux au niveau moléculaire, le clivage des liaisons covalents le rend irréversible.
Pour surmonter ces limites, des mécanophores supramoléculaires ont été introduits. Ces molécules présentent un comportement sensible à la mécanique au niveau moléculaire mais avec des interactions non covalentes.
« De nombreux mécanophores supramoléculaires existent, mais certains d'entre eux présentent une signalisation inefficace », explique Sagara. « Nous avons cherché à développer un système qui émet des signaux plus efficaces et fiables en proportion directe avec le stress appliqué – et le fait de manière réversible. »
(2.2) Le paracyclophane est un composé organique dans lequel deux anneaux de benzène sont reliés par deux ponts d'éthylène aux positions para. L'équipe a utilisé (2.2) le paracyclophane comme squelette et a introduit deux groupes fluorescents (colorants à base de pyrène) pour former une structure de type charnière appelée PC-PY1.
Les deux colorants à base de pyrène ont été maintenus de force à proximité, permettant une formation efficace d'excimères (dimères d'émetteur formés lorsque deux molécules se lient ensemble à un état excité). Cela a entraîné une fluorescence jaune vif par les excimères. Le cadre a ensuite été intégré dans un élastomère de polyuréthane flexible pour l'analyse.
Lorsque la force mécanique a été appliquée au PC-PY1 à travers des chaînes polymères, les groupes fluorescents se sont séparés, libérant la proximité forcée. Ce changement entraîne un décalage de fluorescence, modifiant la couleur de fluorescence du jaune (état d'excimer) au bleu-vert (état monomère).
« Le changement de couleur de fluorescence est non seulement clairement visible à l'œil mais aussi réversible. De plus, il suit étroitement la contrainte mécanique réelle », remarque Sagara.
Le facteur clé était la rigidité structurelle du (2.2) le squelette moléculaire paryclophane. Lorsque des versions plus flexibles de la molécule ont été testées, elles ont produit des décalages de couleur plus faibles.
De plus, le mouvement de la charnière du système a agi comme la source du signal, qui a été confirmé par le biais d'études mécaniques et spectroscopiques. De plus, le mécanophore a remarquablement subi plus de 50 cycles de stress et de libération, ce qui a confirmé la durabilité et la stabilité du mécanisme de charnière.
L'étude marque une progression significative dans la conception de mécanophores supramoléculaires. En tirant parti de l'effet de proximité forcée de (2.2) paracyclophane, il est possible d'incorporer des groupes fluorescents ou extincteurs faiblement en interaction dans des systèmes mécanoressifs – les composants précédemment considérés comme inadaptés.
Cette stratégie élargit la flexibilité de conception et la diversité photo-fonctionnale de ces matériaux, offrant une nouvelle plate-forme puissante pour visualiser la force mécanique.
Les résultats de cette étude approfondissent non seulement notre compréhension des mécanophores, mais aussi les portes ouvertes à diverses applications pratiques allant des revêtements de détection de dommages et de l'électronique flexible aux technologies portables intelligentes.
De plus, en réglant la conception moléculaire, la stratégie pourrait utiliser davantage un large éventail de fluorophores – ouvrant la voie à la détection de contrainte personnalisable de nouvelle génération.
