Pesquisadores do Instituto Adolphe Merkle (AMI) da Universidade de Friburgo e da Universidade de Hokkaido no Japão desenvolveram um método para adaptar as propriedades das moléculas indicadoras de estresse que podem ser integradas a polímeros e danos de sinal ou cargas mecânicas excessivas com um sinal óptico.

Como parte de suas atividades de pesquisa dentro do Centro Nacional de Competência em Pesquisa de Materiais Bioinspirados, Professor Christoph Weder, a cadeira de Química e Materiais de Polímeros da AMI, e sua equipe está investigando polímeros que mudam suas características de cor ou fluorescência quando colocados sob carga mecânica. A abordagem predominante para atingir essa função é baseada em moléculas de sensor especificamente projetadas que contêm ligações químicas fracas que se rompem quando a força mecânica aplicada excede um certo limite. Este efeito pode causar uma mudança de cor ou outras respostas predefinidas. Uma limitação fundamental desta abordagem, Contudo, é que as ligações fracas também podem se quebrar quando expostas à luz ou ao calor. Esta falta de especificidade reduz a utilidade prática dos polímeros indicadores de tensão. Normalmente também torna o efeito irreversível.

Resolvendo este problema, Weder e o Dr. Yoshimitsu Sagara - um pesquisador japonês que passou dois anos no grupo de Weder na AMI antes de ingressar na Universidade de Hokkaido como professor assistente - desenvolveram um novo tipo de molécula sensora que só pode ser ativada por força mecânica. Ao contrário das moléculas de transdução de força anteriores, nenhuma quebra de ligação química ocorre. Em vez de, as novas moléculas do sensor consistem em duas partes que se interligam mecanicamente. Essa interconexão evita a separação das duas partes, enquanto ainda permite que eles sejam empurrados juntos ou afastados um do outro. Tal empurrar e puxar molecular faz com que a fluorescência da molécula mude de desligado para ligado.

Em uma nova publicação na revista de acesso aberto ACS Central Science , Weder, Sagara, e seus colegas de trabalho relatam que este novo conceito é robusto e versátil. "A abordagem de design permite adaptar as propriedades de tais moléculas sensoras, como seu comportamento é bastante previsível, "explica Weder." Escolhemos demonstrar isso abordando materiais que exibem fluorescência branca quando esticados, "acrescenta Sagara." Fluorescência branca com resposta mecânica é geralmente difícil de conseguir. Requer a combinação de três moléculas de sensor com cores de emissão predefinidas:azul, verde, e vermelho (ou laranja). Além disso, as moléculas do sensor também precisam exibir uma resposta semelhante ao estresse mecânico para conseguir ligar / desligar a emissão de branco quando são misturadas. "

Como pretendido, polímeros contendo os novos motivos não fluorescem na ausência de força mecânica, mas eles se tornam fortemente fluorescentes - vermelhos, verde, ou azul, quando apenas um tipo de molécula de sensor é usado, branco quando eles são combinados - quando esticados. Porque nenhuma ligação química é quebrada, o processo também é totalmente reversível. Assim, quando as novas moléculas de sensor foram incorporadas em um polímero elástico, a fluorescência foi ligada quando o material foi esticado, e desligada quando a força foi removida e o material contraído. Além disso, a intensidade de fluorescência, ou brilho, foi mostrado para se correlacionar com a extensão da deformação.

As aplicações potenciais para tais materiais incluem monitores embutidos que enviam sinais visuais de alerta antes que uma peça falhe, ou que permitem aos engenheiros mapear tensões em peças sob carga e ajudá-los a projetá-las melhor. As moléculas do sensor também prometem ser úteis para fundamentos, investigações em nível molecular de mecanismos de transferência de estresse em materiais sintéticos, bem como em sistemas biológicos.

A equipe suíço-japonesa está atualmente colaborando para simplificar ainda mais o design para uma expansão do conceito de materiais que mudam de cor, em vez de sua fluorescência. A resposta de tais motivos poderia ser inspecionada sem qualquer meio auxiliar e, portanto, seria mais útil para aplicações práticas.