Пластмасса научилась сигнализировать о критических механических нагрузках. Благодаря специальным включениям -- механофорам она краснеет от слишком сильного растяжения и становится фиолетовой при сильном сжатии.

Химики давно бьются над созданием «умных» материалов, которые смогут самостоятельно регистрировать изменение внешних условий и откликаться на них изменением структуры или свойств. Ученые уже разработали самозалечивающийся пластик. Материал содержит капсулы с катализатором, который высвобождается при образовании трещины и затягивает ее.

В поисках механофоров

Но есть и другой подход. Не включая в состав материала дополнительные элементы, заставить работать «с умом» сами молекулы, составляющие материал. Именно эту задачу взялись решить химики и материаловеды из университета Иллинойса в Урбане-Шампэйн. Они решили научить полимерные молекулы чувствовать механическое напряжение и реагировать на него заметным и понятным человеку способом.

Собственно, сам принцип подобной реакции ученые из Иллинойса разработали еще два года назад. Они придумали молекулу, которую назвали механофор (от корня греческого слова «механика» и форео -- «нести»). Слово появилось по аналогии с хромофорами -- группами атомов, окрашивающими материал из-за особенностей поглощения ими световых лучей. Правда, первые механофоры работали только в растворе – механическое напряжение «доставлялось» к молекулам с помощью возбуждения ультразвуком.

Следующим шагом стала проверка данного принципа в твердой системе. Что вполне естественно, так как большинство материалов, которые нас окружают в повседневной жизни, твердые. Да и применение открытие может найти только в твердых материалах. В последнем номере журнала Nature исследователи сообщают, что проверка удалась.

Как это работает

В полимерную цепь химики внедрили соединение из группы спиропиранов. У этой группы веществ может разрушаться (обычно под действием света) спиросвязь C-O. При этом оба атомных кольца разрушаются, а соединение переходит из бесцветной в окрашенную форму. Но в молекуле, которую использовали авторы работы, разрыв спиросвязи вызывает не свет, а механическое напряжение. Свет же, наоборот, помогает восстановить кольца и обесцветить материал.

Ученым удалось включить механофорную группу в распространенные полимеры – полиметилакрилат и полиметилметакрилат. Первый – эластомер, то есть очень эластичный полимер. Его исследователи растягивали до предельного напряжения, приводящего к разрыву. Незадолго до разрушения образца в месте будущего разрыва полимера появлялась ярко-красная окраска.

Полиметилметакрилат, напротив, стеклообразный полимер. В нем химические связи присутствуют не только внутри отдельной полимерной цепи, но и между разными макромолекулами. Из-за такой структуры полимер плохо тянется. Он более жесткий, но при этом хрупкий. Образец такого полимера, модифицированный механофорными группами, испытывали на сжатие. При достаточно высокой нагрузке полимер из бесцветного становился фиолетовым.

• 
  В Антарктиде русскими достроена машина времени
• Почему американцы не смогли рассчитать район падения «Фобоса»
• 
  Трудоголизм – очень опасное наследственное заболевание
• «Пираты» готовят глобальную революцию
• 
  Цикл «запчасти для человека»: получить новую нанотрахею уже может каждый

• 
  Победа над старением: выведены вечно молодые мыши
• Конец света откладывается: климат меняется сам по себе
• 
  Бесценное дерьмо. Новые научные методы познания мира
• Разгадана тайна «маяков» Вселенной
• 
  Чем больше живот, тем меньше либидо

пластик

• Грибы съели пластмассу только после УФ-облучения
• Пластиковый мусор создает неравенство
• Пластиковый мусор разлагается в океане до ядовитых соединений

полимер

• Цыплята - не только мясо, но и пластмасса
• Политехнический музей полимеризуется online
• Полимерные частицы работают как мышцы

Наука. все новости за 10 мая ‘09

самое популярное видео

Florence and the Machine попали на распродажу

Гастроли озолотили U2, а LMFAO зажгли зрителей

Британская музыка смешит людей

Анджелина Джоли и Педро Альмодовар будут работать вместе

Этта Джеймс скончалась, а «Артист» продолжает победное шествие

ещё

Где пригодятся механофоры

В том, что такие полимеры с цветоиндикацией механических нагрузок обязательно найдут применение, сомневаться не приходится. Их можно использовать в покрытиях конструкционных элементов самых разных систем: от мостов до крыльев самолета. Ведь предупреждение инженеров и обслуживающего персонала о грозящем повреждении жизненно важной конструкции – важная задача, особенно для пластиковых изделий. Ведь если для таких материалов, как металл или бетон, существуют методики определения нагрузки и усталости с помощью визуальной или ультразвуковой дефектоскопии, то для пластиков их практически нет.

Возможно также, что удастся использовать аналогичную стратегию для создания широкого и разнообразного класса механофоров с иными функциями. Например, они смогут запускать химические реакции, которые будут вызывать упрочнение полимерной молекулы при критических нагрузках. «Воодушевляет именно то, что мы разработали общий подход», -- говорит Нэнси Соттос (Nancy Sottos), руководитель исследования.