Ученые создали три полимера с включаемой растяжением фотолюминесценцией

Ученые из Японии, Швейцарии и Саудовской Аравии создали три полимера, содержащие молекулы ротаксаны, способные обратимо активировать собственные флуоресцентные свойства при растяжении. Это позволяет создавать полимер с необходимым цветом флуоресценции, не влияя на механические и другие свойства материала, рассказывают авторы статьи в ACS Central Science.

Обычно при создании конструкции инженеры заранее рассчитывают рабочие нагрузки на ее элементы, однако фактическая нагрузка может сильно отличаться. Для отслеживания нагрузки можно применять различные дополнительные датчики, визуально отслеживать удлинение или изменение сопротивления при растяжении или пользоваться другими методами. Кроме того, ученые давно работают над созданием материалов, способных при механической нагрузке менять свои наблюдаемые внешне свойства.

К примеру, в 2018 году ученые под руководством Кристофа Ведера (Christoph Weder) из Университета Фрибура в Швейцарии создали необычный механофор (материал, меняющий оптические свойства при приложении механического напряжения), который может обратимо активировать свои флуоресцентные свойства под действием механического напряжения без разрыва слабых ковалентных связей, как это происходит в большинстве механофоров. Основу этого материала составляет полиуретан, в структуру которого ученые включили молекулу класса ротаксанов, известного своими необычными свойствами. Фактически, ротаксан представляет собой две молекулы — гантелевидную, в которой большая часть молекулы линейная, а на ее концах находятся большие группы атомов, а также кольцевидную. Последняя «надета» на гантелевидную и эти две молекулы не связаны между собой химически, а удерживаются вместе механически благодаря краям «гантели».

К кольцевидной молекуле исследователи химически присоединили флуоресцентную функциональную группу. В обычном состоянии кольцевидная молекула и центр линейной молекулы образуют комплекс с переносом заряда, что стабилизирует положение кольца в центре и «выключает» флуоресценцию. Однако растягивающее механическое напряжение вынуждает кольцевую молекулу перемещаться к краю линейной и активирует флуоресцентные свойства. В своей новой работе Ведер и коллеги показали, что цветом флуоресценции можно управлять, меняя только флуоресцентную функциональную группу, присоединенную к кольцевой молекуле. Они подобрали три молекулы, которые под действием ультрафиолетового излучения излучают синий, зеленый или оранжевый свет.

Несмотря на немного различающуюся энергию активации перехода ротаксанового кольца между двумя состояниями в трех полимерах, на макроуровне свойства трех материалов фактически одинаковы. Это, по мнению ученых, позволяет задавать нужные параметры флуоресценции, не меняя макроскопические свойства полимера. Ученые продемонстрировали свойства трех отдельных флуоресцирующих полимеров, а также объединили все три типа ротаксанов в одном материале и создали полимер, излучающий белый цвет в ответ на ультрафиолетовое излучение:

В прошлом году мы рассказывали о другом полимере, меняющем свой цвет при растяжении, однако его свойства обусловлены другим механизмом. Созданный учеными материал состоит из массива слоев с разными свойствами, образующего брэгговский отражатель, отражающий свет в очень узком диапазоне длин волн, и меняющий этот диапазон при изменении расстояния между элементами массива.

Григорий Копиев