Cientistas da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) criaram um polímero "inteligente" de detecção de estresse que brilha mais forte quando esticado. Os pesquisadores esperam usar o novo polímero para medir o desempenho de polímeros sintéticos e rastrear o desgaste em materiais usados ​​nas indústrias de engenharia e construção.

Os cientistas desenvolveram este polímero incorporando complexos de cobre - estruturas formadas pela ligação de átomos de cobre a moléculas orgânicas (contendo carbono) - em um polímero chamado polibutilacrilato, que é feito de um produto químico usado para sintetizar tintas acrílicas, adesivos e selantes.

Os complexos de cobre, que ligam as cadeias de polibutilacrilato, brilham naturalmente quando expostos à luz ultravioleta - uma propriedade conhecida como fotoluminescência. Mas quando o polímero é esticado, os complexos de cobre emitem luz com maior intensidade, levando a um brilho mais intenso. Os complexos de cobre, portanto, agem como mecanóforos - compostos que sofrem uma mudança quando acionados por uma força mecânica.

A maioria dos mecanóforos não é feita de metais como cobre, mas de compostos orgânicos, que mudam de cor ou emitem luz quando o estresse mecânico quebra uma ligação química fraca. Mas os mecanóforos que usam esse mecanismo de quebra de ligação têm limitações severas.

"Uma força relativamente grande é necessária para quebrar a ligação química, então o mecanóforo não é sensível a pequenas quantidades de estresse, "disse o Dr. Ayumu Karimata, primeiro autor do estudo e um bolsista de pós-doutorado da Unidade de Química e Catálise da Coordenação OIST (CCC), liderado pela Professora Julia Khusnutdinova. "Também, o processo de quebra da ligação costuma ser irreversível e, portanto, esses sensores de tensão só podem ser usados ​​uma vez. "

Em contraste, os novos mecanóforos de cobre desenvolvidos pela unidade CCC são sensíveis a tensões muito menores e podem responder de forma rápida e reversível. No estudo, publicado em Comunicações Químicas , os cientistas relataram que o filme de polímero imediatamente clareou e escureceu em resposta a ser esticado e liberado.

Os cientistas usaram uma câmera CCD para visualizar diretamente as mudanças no brilho quando o polímero foi esticado e liberado. A falsa cor vermelha representa alta intensidade de luz e a falsa cor azul representa baixa intensidade de luz.

Iluminando o mecanismo

Compostos fotoluminescentes, como esses complexos de cobre, há muito tempo é um tema de interesse para a unidade CCC. Antes de fazer o polímero, os pesquisadores sintetizaram complexos de cobre isolados de tamanhos variados.

A equipe descobriu que os complexos de cobre eram muito dinâmicos, continuamente distorcendo a forma. Mas à medida que aumentaram de tamanho, os complexos de cobre tornaram-se menos flexíveis e brilharam mais intensamente. A unidade CCC acredita que quanto maior, complexos menos flexíveis liberam luz de forma mais eficiente porque seu movimento é restrito, e, portanto, perdem menos energia na forma de calor.

The researchers realized they could exploit the relationship between the flexibility of the copper complexes and brightness to create a stress-detecting polymer.

"When the copper complexes are incorporated into the polymer as cross-links, the act of stretching the polymer also reduces the flexibility of the molecules, " explained Karimata. "This causes the copper complexes to luminesce more efficiently with greater intensity."

Although still a long way off, Dr. Karimata hopes that the acrylic polymer could eventually be adapted to create a stress-sensing acrylic paint. This could have valuable applications as a coating for different structures, such as bridges or the frames of cars and aircraft.

"As we can see even from the direct visualization of the polymer, stress is applied across a material in a non-uniform way, " said Karimata. "A stress-sensing paint would allow hotspots of stress on a material to be detected and could help prevent a structure from failing."