מיתרי מצנח, כבלי-טיפוס וציפויי-גשרים "חכמים" המשנים את צבעם ברגע של כשל מכאני הינם חלק קטן מהשימושים האפשריים עבור פולימרים רגישי-לחץ שמפותחים עתה ע"י חוקרים מאוניברסיטת אילינוי שבארה"ב
מיתרי מצנח, כבלי-טיפוס וציפויי-גשרים "חכמים" המשנים את צבעם ברגע של כשל מכאני הינם חלק קטן מהשימושים האפשריים עבור פולימרים רגישי-לחץ שמפותחים עתה ע"י חוקרים מאוניברסיטת אילינוי שבארה"ב.
הפולימרים מכילים פרודות פעילות-מכאנית המכונות "מכאנו-פורים" ((mechanophores. כאשר הם נלחצים או נמתחים בכוח בעל עוצמה מסוימת, מתרחשות תגובות כימיות ייחודיות על פרודות אלו.
"תכונה זו מציעה לחוקרים דרך חדשה להחדיר תפקוד מבוקש ישירות לתוככי חומרים סינתטיים," אמרה Nancy Sottos, פרופסור למדעי-החומרים והנדסה באוניברסיטת אילינוי. "והיא פותחת את הדלת להכנת מכאנופורים המסוגלים לבצע פעולות תגובה שונות, בכללן חישה-עצמית וחישול-עצמי, בהשפעת לחץ מכאני עליהם."
במחקר קודם, החוקרת ועמיתיה הראו כי הם הצליחו להשתמש בכוח מכאני על-מנת ליזום תגובה בפולימרים המכילים מכאנופורים שנמצאו בתמיסה. עתה, כפי שפורסם בתחילת חודש מאי בכתב-העת המדעי היוקרתי Nature, החוקרים הראו כי הם מסוגלים לבצע זאת גם בפולימר מוצק.
שפעול כימי מושרה-מכאנית (ידוע גם בשם mechanochemical transduction) מאפשר טווח יוצא-דופן של תהליכים פיסיים, בכללם חישת מגע, קול ומשקל, וכן ייזום צמיחה ובניה מחודשת של רקמות ועצמות. כחיקוי להתנהגות חישה של מערכות ביולוגיות, השימוש המאתגר באנרגיה מכאנית לשם ייזום בררני של תגובה המשנה או מגבירה את תכונותיו של חומר נבחן ע"י החוקרים מהאוניברסיטה.
במערכות של חומרים קריטיים, כגון פולימרים המשמשים ברכיבי מטוסים, יכולות של חישה-עצמית וחישול-עצמי תוכלנה לשמש כסמן לנזק או לחימום-יתר המתריע על כשל אפשרי מתקרב של הרכיב, לשם האטת התפשטות הנזק ולשם הארכת חיי הרכיב או אפילו לתיקון-עצמי של הנזק בשלבים המוקדמים כך שיימנע הכשל הנוראי.
"ע"י צימוד של אנרגיה מכאנית ישירות לתגובה מבנית, התפקוד הנדרש יוכל להיות מקושר במדויק להמרצת הייזום," מסבירה החוקרת הראשית. במחקרם, המדענים השתמשו בפרודה הקרויה "ספירופיראן" (spiropyrans), משפחה מבטיחה של גלאים מולקולאריים המשמשים כמכאנופורים משני-צבע והמאפשרים שינויי צבע חזקים כתגובה לשינויים מכאנו-כימיים. הספירופיראן ששימש במחקר, שבמקורו הינו חסר-צבע, הפך לאדום או לסגול בחשיפתו לשיעורים מסוימים של לחץ מכאני.
לחץ מכאני משרה תגובת פתיחת-טבעת של הספירופיראן, תגובה המשנה את צבעו של החומר," מסביר אחד מהחוקרים. "התגובה הפיכה, כך שניתן לחזור שוב ושוב על הפתיחה והסגירה של המכאנופור." "ספירופיראנים יכולים לשמש כגלאים מולקולאריים לסיוע בהבנת ההשפעות שיש ללחצים ונזקים מצטברים בחומרים פולימריים, ובכך לספק הזדמנות פז לבחינתם, שינויים ושיפורם לפני הכשל המכאני," מסבירים החוקרים.
בכדי להדגים את יכולתם זו של החומרים, החוקרים הכינו שני סוגים נפרדים של פולימרים הקשורים למכאנופורים וחשפו אותם לרמות שונות של לחצים מכאניים. בפולימר אחד, אלסטומר (חומר אלסטי טבעי או סינטטי), החומר נמתח עד לשבירתו לשניים. שינוי צבע חזק התרחש בפולימר ממש רגע לפני קריסתו. הפולימר השני הוחדר לתוך חרוזים קשיחים שקוטרם כמאה מיקרונים. כאשר חרוזים אלו נלחצו הם שינו את צבעם מחסר-צבע לסגול. שינויי הצבע שמתרחשים בשני הפולימרים יכולים לשמש כמחוונים טובים ויעילים למידות הלחץ שפועלים על חלקים מכאניים או רכיבי מבנה אחרים בחומר.
"עברנו באופן חלק ביותר מכימיה לחומרים ומחומרים אנו עוברים עתה לתוך יישומים הנדסיים," מציינת החוקרת. "בעזרת הבנה מעמיקה יותר של עקרונות התכנון של מכאנופורים ודרכי-התגובה הכימיות היעילות שלהם, אפשר לדמות בעיני רוחנו משפחה חדשה של פולימרים גמישים-תגובתיים המאפשרים בנייה מחודשת, ארגון מחדש או אפילו יצירה מחדש באמצעות בקרה מכאנית."
