Les capteurs de contraintes sont des outils importants lorsqu'il s'agit d'évaluer la robustesse d'un matériau face à de fortes forces mécaniques. Des chercheurs de l'OIST viennent de publier dans Matériaux avancés un article faisant état d'un nouveau type de molécules de capteur qui s'illuminent lorsque le matériau dans lequel elles sont incorporées est soumis à de fortes contraintes mécaniques.

De telles molécules de détection basées sur la lumière, aussi appelés mécanophores photoluminescents, ne sont pas nouveaux, mais les applications actuellement disponibles sont à usage unique. Ils impliqueraient généralement une force forte - compression, par exemple, la torsion ou l'étirement - rompre une liaison chimique spécifique entre deux atomes ou séparer de manière irréversible deux modèles moléculaires dans la molécule de détection, changer la longueur d'onde - et donc la couleur - de la lumière émise par le mécanophore. Une fois que ces molécules ont radicalement changé leur structure en réponse à cette force, il est extrêmement difficile de revenir à la situation initiale. Si ces mécanophores sont utiles pour comprendre les propriétés mécaniques d'un objet ou d'un matériau, ils ne conviennent pas bien à une exposition répétée à des contraintes mécaniques.

Pour surmonter ce problème, Le Dr Georgy Filonenko et le professeur Julia Khusnutdinova de l'Unité de chimie de coordination et de catalyse ont conçu un mécanophore photoluminescent qui conserve ses propriétés dans le temps et sous des incidences répétées de contraintes mécaniques. Les chercheurs ont incorporé la molécule de détection de stress dans un matériau polymère commun appelé polyuréthane, largement utilisé pour les articles de tous les jours, des matelas et coussins aux bateaux pneumatiques, intérieurs de voitures, de la colle à bois et même du spandex.

Les scientifiques ont ensuite étiré le matériau résultant avec une force croissante, déclenchant une lueur correspondante plus brillante sous une lumière ultraviolette. La réaction se produit en quelques centaines de millisecondes, résultant en une augmentation jusqu'à deux fois de l'intensité de la luminescence. Lorsque la traction mécanique s'arrête, le matériau polymère et le mécanophore retournent à leur position initiale, diminuant la lecture de la lumière. Ceci est essentiel car il permet des applications répétées de force mécanique.

Ce nouveau mécanophore est un composé photoluminescent issu de travaux récemment publiés par le Dr Filonenko et le Pr Khusnutdinova. Malgré sa structure très simple, le composé est extrêmement réactif à l'environnement physique qui a un impact direct sur la couleur visible à l'œil nu sous une lumière UV. Ces molécules ont été incorporées directement dans les motifs répétés du matériau polymère.

La grande mobilité des molécules mécanophores dans le polymère s'est avérée être la clé de la performance du capteur. Comme les mécanophores se déplaçaient rapidement dans l'échantillon de polymère détendu, la luminosité de l'émission était faible en raison de ces mouvements moléculaires empêchant le mécanophore d'émettre de la lumière. Cependant, soumettre le matériau à une force mécanique ralentit efficacement les mouvements de la chaîne polymère, permettant au mécanophore d'émettre de la lumière plus efficacement.

"Notre matériel montre comment une force macroscopique, aussi basique que d'étirer un brin flexible de matériau, peut déclencher efficacement des changements microscopiques jusqu'aux molécules isolées, " a commenté le Dr Filonenko.