東京工業大學物質理工學院應用化學系的大冢英幸教授、渡部拓馬研究生，成功開發出了一種可透過形變向分子鏈傳遞機械力切斷分子鏈，呈現出高靈敏度色彩變化的聚合體材料。另外，研究團隊還着眼於分子鏈呈三維網眼狀的交聯聚合物在吸收液體膨脹的膨潤程序中出現的聚合物鏈變形，成功地將作用於聚合物鏈的力視覺化，並明確了切斷反應的機制。
研究團隊選取的物件是，受力後反應性弱且產生穩定自由基的二芴基琥珀腈（Difluorenylsuccinoni-trile、DFSN）架構。DFSN在室溫下呈化學穩定狀態，但施加機械力後，中央的碳-碳共價鍵會選擇性切斷，產生一種粉色的自由基。因此，DFSN能夠透過顏色變化來檢測出聚合物鏈中受到的機械力。但問題是，切斷DFSN的共價鍵需要很大的機械力，所以其反應效率太低。
對此，研究團隊提出了一種將DFSN導入到網眼被事先拉伸的多重網絡聚合體中的方法。多重網絡聚合體的特徵是具有針腳和網眼，透過活用其結構，研究團隊降低了DFSN活性化所需要的拉伸應變，並提高了反應效率。
圖1.（a）DFSN的分子結構及化學性質。（b）DFSN活化程序的模式圖。（提供：東京工業大學）
在本次研究中，研究團隊在網眼被事先拉伸的多重網絡聚合體構造中導入DFSN，合成出了交聯聚合體，然後將其浸透在各種溶劑中。結果，在與聚合體有着優異的親和性、膨潤量較大（交聯高分子吸收溶劑產生的體積增加）的溶劑中，聚合體會呈現出顯著的顏色變化。研究團隊透過能夠定量檢測自由基的電子自旋共振（ESR）法，定量評價了膨潤程序中的自由基量的變化，發現隨着膨潤的進展，來自DFSN架構解離的自由基出現了增加。
研究團隊發現，在聚合物鏈運動活躍的凝膠狀態下，由於自由基之間的重組反應，自由基量會快速減量。但在聚合物鏈被拉伸的狀態下，由於重組反應被獨特性抑制，因此能夠觀察到顏色的變化。另外，研究團隊還發現了單軸伸長和膨潤變形的反應機構在實質上是一致的現象，明確了這是一種含有DFSN的網眼被大幅拉伸後產生的張力所導致的化學反應。此外，研究團隊還將由於溶劑膨潤產生的來自DFSN的自由基，用作自由基聚合的引發劑，實施了交聯聚合體的後天改性。
大冢教授表示：「本次的研究結果，定量檢測出了交聯聚合體的斷裂，並實施了視覺化，可以爲聚合體材料劣化和破壞機制的研究做出貢獻。另一方面，該成果也爲開發經水和海水膨潤後，分解性會大幅提高的環境友好型新一代聚合體材料提供了重要靈感。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Angewandte Chemie International Edition
論文：Swelling-induced Mechanochromism in Multinetwork Polymers
DOI：10.1002/anie.202216469
