Los sensores de tensión son herramientas importantes a la hora de evaluar la robustez de un material que se enfrenta a fuertes fuerzas mecánicas. Los investigadores de la OIST acaban de publicar en Materiales avanzados un artículo que informa sobre un nuevo tipo de moléculas sensoras que se iluminan cuando el material al que se incorporan sufre una gran tensión mecánica.

Tales moléculas sensoras basadas en la luz, también llamados mecanóforos fotoluminiscentes, no son nuevos, pero las aplicaciones disponibles actualmente son de un solo uso. Por lo general, involucrarían una fuerza fuerte:comprimir, torcer o estirar, por ejemplo:romper un enlace químico específico entre dos átomos o separar irreversiblemente dos patrones moleculares en la molécula sensora, cambiando la longitud de onda - y por lo tanto el color - de la luz emitida por el mecanóforo. Una vez que estas moléculas han cambiado radicalmente su estructura en respuesta a esta fuerza, es extremadamente difícil volver a la situación inicial. Si bien estos mecanóforos son útiles para comprender las propiedades mecánicas de un elemento o material, no se adaptan bien a la exposición repetida a esfuerzos mecánicos.

Para superar este problema, El Dr. Georgy Filonenko y la Prof. Julia Khusnutdinova de la Unidad de Coordinación de Química y Catálisis diseñaron un mecanóforo fotoluminiscente que conserva sus propiedades a lo largo del tiempo y bajo incidencias repetidas de estrés mecánico. Los investigadores incorporaron la molécula sensible al estrés en un material polimérico común llamado poliuretano, ampliamente utilizado para artículos de uso diario, desde colchones y cojines hasta botes inflables, interiores de coches, pegamento para carpintería e incluso spandex.

Luego, los científicos estiraron el material resultante con una fuerza creciente, desencadenando un resplandor correspondientemente más brillante bajo una luz ultravioleta. La reacción ocurre en cientos de milisegundos, resultando en un aumento de hasta dos veces en la intensidad de luminiscencia. Cuando la tracción mecánica se detiene, el material polimérico y el mecanóforo vuelven a su posición inicial, disminuyendo la lectura de luz. Esto es crítico ya que permite aplicaciones repetidas de fuerza mecánica.

Este nuevo mecanóforo es un compuesto fotoluminiscente del trabajo recientemente publicado por el Dr. Filonenko y el Prof. Khusnutdinova. A pesar de su estructura muy simple, el compuesto es extremadamente sensible al entorno físico, lo que tiene un impacto directo en el color visible a simple vista bajo la luz ultravioleta. Estas moléculas se incorporaron directamente dentro de los patrones repetidos del material polimérico.

Se descubrió que la alta movilidad de las moléculas del mecanóforo en el polímero es la clave del rendimiento del sensor. A medida que los mecanóforos se movían rápidamente en la muestra de polímero relajado, el brillo de emisión fue bajo debido a estos movimientos moleculares que impiden que el mecanóforo emita luz. Sin embargo, Someter el material a una fuerza mecánica ralentizó efectivamente los movimientos de la cadena de polímero, permitiendo que el mecanóforo emita luz de manera más eficiente.

"Nuestro material muestra cómo una fuerza macroscópica, tan básico como estirar una hebra flexible de material, puede desencadenar de manera eficiente cambios microscópicos hasta las moléculas aisladas, "comentó el Dr. Filonenko.