科学家研发全新聚合物在被拉伸时会发光可用永恒

科学家研发全新聚合物 在被拉伸时会发光可用于预测灾难性故障

4月26日，了解到，由北海道大学的Yoshimitsu Sagara和弗里堡大学的Christoph Weder领导，在最近发表在《ACS Central Science》杂志上的一篇论文中有所描述。如果人们能够知道材料受到压力，那么在发生灾难性故障之前可以对其进行更改将是非常有用的。一种新的聚合物被设计用于提供这样的警告，因为其在被拉伸时会发光。

首先，科学家们先前已开发出可响应机械应力而改变其光学性质的聚合物。但一般来说，这种变化是由材料内分子键的断裂引发的，所以它只能发生一次。另外，这些键也可以被诸如热和光的刺激破坏，导致错误警报。

制备了三种机械反应的聚氨酯弹性体，其蓝色、绿色和橙色的光致发光可以通过机械力可逆地打开，并结合在一起，形成了一种由变形引起的白色光致发光的混合物。这三种聚氨酯分别含有以π-延伸的丙酮、萘或4-(二氰亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲基氨基甲酰基)-4-h-吡喃(dcm)为基基的分子超发光体，和1,4,5,8-萘环二酰亚胺为电子配伍的二酰亚胺。每种聚合物在拉伸和放松时，其光致发光强度都表现为瞬间可逆的、依赖应变的开关，因为变形导致发光体和淬火体的空间分离。本研究表明，光致发光的颜色可以很容易地通过发光材料的变化和几种机械材料的组合来定制，并表明适应性是超分子方法创造机械反应聚合物的关键优势。

现在人们广泛地研究了在机械力的作用下改变其光化学性质的机械材料，因为将这些材料嵌入到聚合物中是实现机械变色聚合物最有前途的方法之一。机械变色(发光)聚合物可以在结构失效前发出机械应力信号并可视化材料损伤。由共价键的机械引发的裂变所激活的常规机械体受到几个限制，这些限制与其一般的操作机制直接相关。首先，活化需要相对较高的活化能，因为过程涉及到在没有机械力的情况下应该是稳定的共价化学键的断裂。

过程通常是不可逆的，或返回反应需要活化能或是缓慢的，这导致了有限的可逆性。第三，机械支架引起的断裂反应通常也可由热处理或光照引起，这使得过程不特定。为了克服传统机械材料的缺点，我们最近研制了一种超分子轮烷基机械材料，它由含有发光材料的环状化合物和含有电子匹配的淬火剂和两个阻塞剂基团的哑铃状分子组成。含有以轮烷基超分子机械光致发光材料的线性聚氨酯，其光致发光开关瞬间可逆的。激活过程不涉及任何键裂，而仅仅依赖于发光体和淬火体的空间分离。因此，活化能很低；该过程是完全和即时可逆的，是机械力特有的，不能由光或热触发。我们注意到，不需要裂变共价键来激活和改变其光致发光特性的机械光学仍然是有限的。

在这里，我们展示了超分子方法对机械光的另一个显著的优点，即产生的光信号可以很容易地以简单合理的方式进行调整，而不必改变给定聚合物中机械光的机械响应，即使分子级的活化能可能略有不同。因此，根据我们以前的设计，只通过改变循环中所含的发光物（图1），产生了蓝色、绿色和橘色发光的轮状分子超分子机械发光体。在非激活状态下，光致发光体靠近淬火器，因此，其光致发光被抑制，而在施加机械力时，它们被抽离轴的中心，并对所研究的各种发光材料进行了强光致发光。因此，含有机械材料的聚氨酯薄膜单独显示出对应的发射瞬间可逆的开关。作为目标，除发射颜色外，它们的机械响应特性是相同的。混合三种聚氨酯，可以接触到一种能立即显示出可机械切换的发光材料。

考虑到这些局限性，瑞士弗里堡大学和日本北海道大学的研究人员开发出了发光聚合物。这是一种聚氨酯，其含有一种轮烷分子结构 - 这意味着它由长哑铃状分子组成，其上有称为大环的螺纹环形荧光分子。

只要聚合物处于松弛状态，大环化合物就会聚集在一起，与“哑铃”中间的“猝灭剂”分子相邻。那些淬灭剂使大环化合物不发荧光。

因为我们要给儿慈会写申请书 然而，一旦聚合物（以及“哑铃”）被拉伸，大环被拉开并远离淬灭剂，使它们在紫外光下发荧光。材料拉伸越多，它们发出的光越亮，一旦拉伸松弛，它们就会再次变暗。该过程可以无限期重复。

通过改变所用的大环化合物的类型，可以使聚合物发出蓝色、绿色或橙色的荧光（如上图所示）。通过组合它们也可以产生白色光。