Anzeige
The polymers contain mechanically active molecules called mechanophores. When pushed or pulled with a certain force, specific chemical reactions are triggered in the mechanophores.
“This offers a new way to build function directly into synthetic materials,” said Nancy Sottos, a Willett Professor of materials science and engineering at the U. of I. “And it opens the door to creating mechanophores that can perform different responsive functions, including self-sensing and self-reinforcing, when stressed.”
In previous work, Sottos and collaborators showed they could use mechanical force to induce a reaction in mechanophore-linked polymers that were in solution. Now, as reported in the May 7 issue of the journal Nature, the researchers show they can perform a similar feat in a solid polymer.
Mechanically induced chemical activation (also known as mechanochemical transduction) enables an extraordinary range of physiological processes, including the senses of touch, hearing and balance, as well as growth and remodeling of tissue and bone.
Analogous to the responsive behavior of biological systems, the channeling of mechanical energy to selectively trigger a reaction that alters or enhances a material’s properties is being harnessed by the U. of I. researchers.
In critical material systems, such as polymers used in aircraft components self-sensing and self-reinforcing capabilities could be used to report damage and warn of potential component failure, slow the spread of damage to extend a material’s lifetime, or even repair damage in early stages to avoid catastrophic failure.
“By coupling mechanical energy directly to structural response, the desired functionality could be precisely linked to the triggering stimulus,” said Sottos, who also is affiliated with the university’s Beckman Institute.
In their work, the researchers used molecules called spiropyrans, a promising class of molecular probes that serve as color-generating mechanophores, capable of vivid color changes when they undergo mechanochemical change. Normally colorless, the spiropyran used in the experiments turns red or purple when exposed to certain levels of mechanical stress.
“Mechanical stress induces a ring-opening reaction of the spiropyran that changes the color of the material,” said Douglas Davis, a graduate research assistant and the paper’s lead author. “The reaction is reversible, so we can repeat the opening and closing of the mechanophore.”
“Spiropyrans can serve as molecular probes to aid in understanding the effects of stress and accumulated damage in polymeric materials, thereby providing an opportunity for assessment, modification and improvement prior to failure,” Davis said.
To demonstrate the mechanochemical response, the researchers prepared two different mechanophore-linked polymers and subjected them to different levels of mechanical stress.
In one polymer, an elastomer, the material was stretched until it broke in two. A vivid color change in the polymer occurred just before it snapped.
The second polymer was formed into rigid beads several hundred microns in diameter. When the beads were squeezed, they changed from colorless to purple.
The color change that took place within both polymers could serve as a good indicator of how much stress a mechanical part or structural component made of the material had undergone.
“We’ve moved very seamlessly from chemistry to materials, and from materials we are now moving into engineering applications,” Sottos said. “With a deeper understanding of mechanophore design rules and efficient chemical response pathways, we envision new classes of dynamically responsive polymers that locally remodel, reorganize or even regenerate via mechanical regulation.”
In addition to Sottos and Davis, the paper’s co-authors include materials science and engineering professor Paul Braun, chemistry professors Todd Martinez and Jeffrey Moore, and aerospace engineering professor Scott White, as well as members of their research groups.
The work was funded by the U.S. Army Research Office MURI program.
Editor’s notes: To reach Nancy Sottos, call 217-333-1041; e-mail: n-sottos@illinois.edu.
Video showing force-induced color change in a mechanophore cross-linked polymer bead under compressive loading (left) and corresponding force-displacment curve (right).
http://news.illinois.edu/WebsandThumbs/Sottos,Nancy/Video%20S7.mov
James E. Kloeppel | Quelle: Newswise Science News
Weitere Informationen: www.illinois.edu
Weitere Berichte zu: biological system > chemical reaction > chemical reactions > climbing ropes > force-sensitive polymers > mechanical energy > mechanical stress > mechanophores > molecular probe > Parachute cords > Polymere > Self-sensing > smart coatings for bridges > spiropyrans
Trennung von Blutzellen im Mikrofluss
24.05.2012 | Universität Augsburg
Nomads of the Galaxy
24.05.2012 | Kavli Foundation
Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und bestimmte Krebsformen gehen auf eine fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen im Körper zurück.
Wissenschaftlern des Instituts für Photonische Technologien (IPHT) in Jena ist es erstmals gelungen, Proteinstrukturen auf sub-molekularer Ebene nachzuweisen und spektroskopisch zu analysieren. Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Krankheitsursachen.
„Bis heute hat man nicht genau verstanden, was die fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Alzheimer, ...
Die Quantenphysik beschreibt physikalische Vorgänge in Festkörpern und anderen Vielteilchensystemen auch mit Hilfe von Quasiteilchen.
Innsbrucker Physikern um Rudolf Grimm ist es nun erstmals gelungen, ein neues Quasiteilchen - ein repulsives Polaron - in einem Quantengas experimentell zu erzeugen. Die Forscher berichten darüber in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.
Ultrakalte Quantengase sind ein ideales Experimentierfeld, um physikalische Phänomene in Festkörpern zu simulieren. Unter streng kontrollierten Bedingungen ...
Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.
Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.
Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...
Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen
Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...
Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.
Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.
Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...
Anzeige
Anzeige

Energieversorger vor dem Umbruch
24.05.2012 | Studien Analysen
Stem-cell-growing surface enables bone repair
24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie
Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit
24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie
NieKE Themenforum: Ökonomie - Tierschutz - Lebensmittelsicherheit
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Nachhaltigkeit in der Schifffahrt: Werte vs. Wertschöpfung
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Wissenschaft und Öffentlichkeit
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten