Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo conçoivent des polymères infusés d'une unité moléculaire sensible au stress qui répondent aux forces externes en activant leur fluorescence. Les chercheurs démontrent que la fluorescence dépend de l'amplitude de la force et montrent qu'il est possible de détecter les deux, déformations réversibles et irréversibles des polymères, ouvrant la porte à l'exploration de nouveaux régimes de force dans les polymères.

En plus de provoquer un mouvement physique, les forces mécaniques peuvent entraîner des changements chimiques de manière contrôlée et productive, permettant des propriétés matérielles souhaitables. Une façon de procéder consiste à introduire un soi-disant mécanophore dans le matériau, unités moléculaires sensibles au stress ou à la déformation. Spécifiquement, mécanophores mécanochromes, qui modifient leurs propriétés optiques en réponse à des stimuli mécaniques, sont très utiles pour quantifier leur environnement mécanique local.

Cependant, le mécanisme de réponse en jeu dans la plupart des mécanophores implique la rupture des liaisons chimiques. Par conséquent, ils nécessitent des forces mécaniques relativement importantes pour être activés et leur réponse n'est généralement pas réversible. Pour résoudre ces problèmes, des chercheurs dirigés par le professeur Yoshimitsu Sagara de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) avaient précédemment développé des mécanophores supramoléculaires qui montrent une commutation marche/arrêt instantanément réversible de la fluorescence sans aucune scission des liaisons covalentes. Le prochain défi de l'équipe était de déterminer si des mécano-réponses réversibles et irréversibles peuvent être provoquées à partir du même motif moléculaire.

Dans un nouveau Journal de l'American Chemical Society étudier, l'équipe explore cette question à l'aide d'une architecture moléculaire inhabituelle appelée « rotaxane » dans laquelle une molécule en forme d'haltère est enfilée à travers un « anneau » de manière à ce qu'elles soient mécaniquement imbriquées, c'est-à-dire que "l'anneau" ne peut pas être normalement retiré. En attachant une paire extincteur-émetteur au rotaxane et en sélectionnant les tailles appropriées de fragments d'anneau et d'obturateur, l'équipe démontre un nouveau type de réponse mécanophore qui peut être réversible ou irréversible, en fonction de l'amplitude de la force appliquée (Figure 1).

"Quand il n'y a pas de force appliquée, l'interaction attractive maintient l'anneau contenant l'émetteur à proximité du quencher fixé sur l'axe du rotaxane, pour que l'émission soit éteinte, " explique Sagara. " En appliquant une force faible, l'émetteur est éloigné du quencher, et sa fluorescence est allumée. Cet effet est réversible, à moins que la force ne soit suffisamment élevée pour pousser la bague au-delà de la butée de sorte qu'un dévissage irréversible se produise."

En étudiant un ensemble soigneusement conçu de différents rotaxanes, l'équipe a démontré que la combinaison de fragments d'anneau et de bouchon sélectionnés de manière appropriée ayant la bonne taille est cruciale pour obtenir des structures imbriquées qui affichent une telle réponse double. Les chercheurs de Tokyo Tech ont collaboré avec des partenaires suisses de l'Institut Adolphe Merkle de l'Université de Fribourg pour incorporer les nouveaux mécanophores dans des caoutchoucs de polyuréthane élastiques. Ces matériaux qui présentent des changements de fluorescence réversibles sur de nombreux cycles d'étirement et de libération à de faibles contraintes, grâce à la fonction navette, alors que des changements permanents ont été observés lorsque les caoutchoucs ont été soumis à des déformations répétées à de fortes contraintes dues au dévissage de la bague de l'axe. « Ce mécanisme permet, au moins conceptuellement, pour surveiller la déformation réelle des matériaux polymères et examiner les dommages mécaniques qui ont été infligés dans le passé sur la base d'un signal optique », explique Sagara.

Spéculer les implications possibles de leurs résultats, une Sagara ravie commente, "Étendre la bibliothèque actuelle de mécanophores avec nos candidats à base de rotaxane serait utile pour étudier les propriétés mécaniques non seulement des polymères mais aussi des cellules et des tissus, car nos mécanophores peuvent répondre à des forces beaucoup plus faibles que celles impliquant une scission de liaison chimique."

Tout simplement, les rotaxanes pourraient envahir toutes les sciences naturelles.