A gauche se trouvent deux films du polymère, avec les complexes de cuivre incorporés comme agents de réticulation. A droite se trouvent deux flacons des complexes de cuivre isolés, qui ont été développés par Pradyna Patil, un ancien post-doctorant. Les films polymères et les complexes de cuivre isolés luminescents sous la lumière ultraviolette. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Des scientifiques de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont créé un polymère "intelligent" à détection de stress qui brille plus lorsqu'il est étiré. Les chercheurs espèrent utiliser le nouveau polymère pour mesurer les performances des polymères synthétiques et suivre l'usure des matériaux utilisés dans les industries de l'ingénierie et de la construction.
Les scientifiques ont développé ce polymère en incorporant des complexes de cuivre - des structures formées en liant des atomes de cuivre à des molécules organiques (contenant du carbone) - dans un polymère appelé polybutylacrylate, qui est fabriqué à partir d'un produit chimique utilisé pour synthétiser les peintures acryliques, adhésifs et mastics.
Les complexes de cuivre, qui relient les chaînes polybutylacrylate entre elles, brillent naturellement lorsqu'ils sont exposés à la lumière ultraviolette, une propriété connue sous le nom de photoluminescence. Mais lorsque le polymère est étiré, les complexes de cuivre émettent de la lumière à une plus grande intensité, conduisant à une lueur plus brillante. Les complexes de cuivre agissent donc comme des mécanophores, des composés qui subissent un changement lorsqu'ils sont déclenchés par une force mécanique.
La plupart des mécanophores ne sont pas fabriqués à partir de métaux tels que le cuivre, mais à partir de composés organiques, qui changent de couleur ou émettent de la lumière lorsqu'une contrainte mécanique rompt une liaison chimique faible. Mais les mécanophores qui utilisent ce mécanisme de rupture de liaison ont de sérieuses limitations.
"Une force relativement importante est nécessaire pour rompre la liaison chimique, le mécanophore n'est donc pas sensible aux faibles sollicitations, " a déclaré le Dr Ayumu Karimata, premier auteur de l'étude et chercheur postdoctoral de l'Unité de Coordination Chimie et Catalyse (CCC) de l'OIST, dirigé par le professeur Julia Khusnutdinova. "Aussi, le processus de rupture de la liaison est souvent irréversible et ces capteurs de stress ne peuvent donc être utilisés qu'une seule fois."
En revanche, les nouveaux mécanophores en cuivre développés par l'unité CCC sont sensibles à des contraintes beaucoup plus faibles et peuvent réagir rapidement et de manière réversible. Dans l'étude, Publié dans Communications chimiques , les scientifiques ont rapporté que le film polymère s'éclaircit et s'assombrit immédiatement en réponse à son étirement et à sa libération.
Les scientifiques ont utilisé une caméra CCD pour visualiser directement les changements de luminosité à mesure que le polymère était étiré et libéré. La fausse couleur rouge représente une intensité lumineuse élevée et la fausse couleur bleue représente une intensité lumineuse faible.
Mettre en lumière le mécanisme
Composés photoluminescents, tels que ces complexes de cuivre, sont depuis longtemps un sujet d'intérêt pour l'unité CCC. Avant de fabriquer le polymère, les chercheurs ont synthétisé des complexes de cuivre isolés de taille variable.
L'équipe a découvert que les complexes de cuivre étaient très dynamiques, se déformant continuellement. Mais à mesure qu'ils grossissaient, les complexes de cuivre sont devenus moins flexibles et plus brillants. L'unité CCC estime que plus les complexes moins flexibles libèrent la lumière plus efficacement car leur mouvement est restreint, et ils perdent donc moins d'énergie sous forme de chaleur.
Le mécanophore de cuivre relie deux chaînes polymères ensemble. Lorsque le polymère est étiré (force =F), le mécanophore brille plus fort. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Les complexes de cuivre développés varient en taille en raison de chaînes carbonées de longueur croissante, mis en évidence par des cercles en pointillés. Les molécules plus grosses sont moins flexibles, ce qui augmente l'intensité de la photoluminescence émise. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Les chercheurs ont réalisé qu'ils pouvaient exploiter la relation entre la flexibilité des complexes de cuivre et la brillance pour créer un polymère détectant les contraintes.
"Lorsque les complexes de cuivre sont incorporés dans le polymère sous forme de réticulations, le fait d'étirer le polymère réduit également la flexibilité des molécules, " 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."
