A la izquierda hay dos películas del polímero, con los complejos de cobre incorporados como reticulantes. A la derecha hay dos viales de los complejos de cobre aislados, que fueron desarrollados por Pradyna Patil, un ex becario postdoctoral. Las películas de polímero y los complejos de cobre aislados se iluminan bajo luz ultravioleta. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
Científicos de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han creado un polímero "inteligente" que detecta el estrés y que brilla más cuando se estira. Los investigadores esperan utilizar el nuevo polímero para medir el rendimiento de los polímeros sintéticos y rastrear el desgaste de los materiales utilizados en las industrias de ingeniería y construcción.
Los científicos desarrollaron este polímero incorporando complejos de cobre (estructuras formadas al unir átomos de cobre con moléculas orgánicas (que contienen carbono)) en un polímero llamado polibutilacrilato, que está hecho de un químico utilizado para sintetizar pinturas acrílicas, adhesivos y selladores.
Los complejos de cobre, que unen las cadenas de polibutilacrilato, brillan naturalmente cuando se exponen a la luz ultravioleta, una propiedad conocida como fotoluminiscencia. Pero cuando el polímero se estira, los complejos de cobre emiten luz con mayor intensidad, conduciendo a un resplandor más brillante. Por lo tanto, los complejos de cobre actúan como mecanóforos, compuestos que experimentan un cambio cuando son activados por una fuerza mecánica.
La mayoría de los mecanóforos no están hechos de metales como el cobre, sino de compuestos orgánicos, que cambian de color o emiten luz cuando la tensión mecánica rompe un enlace químico débil. Pero los mecanóforos que utilizan este mecanismo de ruptura de enlaces tienen graves limitaciones.
"Se requiere una fuerza relativamente grande para romper el enlace químico, por lo que el mecanóforo no es sensible a pequeñas cantidades de estrés, "dijo el Dr. Ayumu Karimata, primer autor del estudio y becario postdoctoral de la Unidad de Coordinación de Química y Catálisis (CCC) de la OIST, dirigido por la profesora Julia Khusnutdinova. "También, el proceso de ruptura de la unión es a menudo irreversible, por lo que estos sensores de tensión solo se pueden utilizar una vez ".
A diferencia de, Los nuevos mecanóforos de cobre desarrollados por la unidad CCC son sensibles a tensiones mucho menores y pueden responder de forma rápida y reversible. En el estudio, publicado en Comunicaciones químicas , Los científicos informaron que la película de polímero se iluminó y atenuó de inmediato en respuesta al estiramiento y liberación.
Los científicos utilizaron una cámara CCD para visualizar directamente los cambios de brillo a medida que el polímero se estiraba y soltaba. El falso color rojo representa una alta intensidad de luz y el falso color azul representa una baja intensidad de luz.
Iluminando el mecanismo
Compuestos fotoluminiscentes, como estos complejos de cobre, han sido durante mucho tiempo un tema de interés para la unidad CCC. Antes de fabricar el polímero, los investigadores sintetizaron complejos de cobre aislados de tamaño variable.
El equipo descubrió que los complejos de cobre eran muy dinámicos, distorsionando continuamente en forma. Pero a medida que aumentaron de tamaño, los complejos de cobre se volvieron menos flexibles y brillaron más. La unidad CCC cree que cuanto más grande, los complejos menos flexibles liberan la luz de manera más eficiente porque su movimiento es restringido, y por tanto pierden menos energía en forma de calor.
El mecanóforo de cobre une dos cadenas de polímeros. Cuando el polímero se estira (fuerza =F), el mecanóforo brilla más. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
Los complejos de cobre desarrollados varían en tamaño debido a cadenas de carbono de longitud creciente, resaltado por círculos punteados. Las moléculas más grandes son menos flexibles, lo que aumenta la intensidad de la fotoluminiscencia emitida. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
Los investigadores se dieron cuenta de que podían aprovechar la relación entre la flexibilidad de los complejos de cobre y el brillo para crear un polímero detector de estrés.
"Cuando los complejos de cobre se incorporan al polímero como enlaces cruzados, 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."
