Умные полимерные материалы: новый механический датчик на основе флуоресценции

Автор: Токийский институт науки

В шаге к созданию «умных» материалов исследователи из Токийского института науки совместно с коллегами из Швейцарии разработали молекулу-«шарнир», способную сигнализировать о механическом напряжении в полимерных материалах с помощью флуоресценции.

Используя структуру [2.2]парациклофана и два пиреновых люминофора (светоизлучающих соединения), новая молекула демонстрирует высокую чувствительность к нагрузкам и долговечность, что делает её мощным инструментом для мониторинга механических повреждений в реальном времени.

Гибкие полимеры, такие как эластомеры, используются повсеместно — от подошв обуви и мебели до автомобильных бамперов и медицинских устройств. Однако при чрезмерной нагрузке повреждения часто начинаются на молекулярном уровне задолго до появления видимых дефектов.

Оценка таких повреждений критически важна для обеспечения долговечности материалов. Это и привело к созданию механохромных механофоров — молекул, способных реагировать на механическое воздействие изменением цвета свечения.

Группа исследователей под руководством доцента Ёсимицу Сагары из Токийского института науки и профессора Кристофа Ведера из Университета Фрибура (Швейцария) разработала новый класс механофоров, визуализирующих механическое напряжение с помощью [2.2]парациклофана.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.

«Мы стремились создать систему, которая излучает более эффективные и надежные сигналы, прямо пропорциональные приложенному напряжению, и делает это обратимо», — объясняет Сагара.

Ключевым элементом стал [2.2]парациклофан — органическое соединение, в котором два бензольных кольца соединены двумя этиленовыми мостиками. Исследователи использовали его как основу, добавив два флуоресцентных пиреновых красителя, создав шарнироподобную структуру PC-Py1.

При механическом воздействии на полимерную цепь флуоресцентные группы разделяются, что приводит к изменению цвета свечения с жёлтого (состояние эксимера) на сине-зелёный (мономерное состояние). Этот процесс полностью обратим и точно отражает уровень механического напряжения.

Особенностью разработки стала структурная жёсткость молекулярного каркаса, обеспечивающая чёткий сигнал. Более гибкие аналоги демонстрировали слабые изменения цвета. Кроме того, система выдержала более 50 циклов нагрузки и восстановления, подтвердив свою стабильность.

Это исследование открывает новые возможности для создания «умных» материалов — от самодиагностируемых покрытий и гибкой электроники до носимых технологий. В будущем метод можно адаптировать для работы с различными флуорофорами, что расширит спектр применения.

Подробнее: Shohei Shimizu et al, Hinge‐Like Mechanochromic Mechanophores Based on [2.2]Paracyclophane, Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202510114