Mekanoforlar: Polimer Kristalleşmesine Benzersiz Bir Bakış
Fotoğraf : Tetraarilsüksinonitrilden üretilen radikallerin floresansı, kristalleşmenin görselleştirilmesini sağlayacaktır. Kristalleşmeye bağlı mekanofloresansın floresan mikroskobu altındaki gözlemi, gerilim konumunun kesin olarak tanımlanmasına ve polimer kristalizasyon işleminin derinlemesine netleştirilmesine izin verir. Kredi: Tokyo Tech
Günümüzde üreticiler, polimer olarak adlandırılan çok geniş bir kullanım yelpazesine sahip olan oldukça özel malzemeler üretmektedir. Polimerler, yüksek gerilme mukavemeti ve direnci nedeniyle inşaat alanında kullanılmaktan, naylon veya polietilen gibi daha hafif ve esneklik gerektiren plastik torbaların üretimine kadar çeşitli amaçlar için kullanılır.
Polimerlerin özellikleri arasındaki bu farklılıklar iç yapılarından kaynaklanmaktadır. Polimerler, “monomerler ” adı verilen daha küçük alt birimlerden oluşan uzun zincirlerin birleşmesinden meydana gelir. Kristalleşme, kristal polimerlerin eritilip daha sonra yavaşça soğutulmasıyla oluşur, bu da zincirlerin kendilerini düzgün bir şekilde düzenlenmiş plakalar halinde organize etmelerini sağlar.
Kristalleşmenin derecesine ve konumuna bağlı olarak, bu işlem polimerlere esneklik, ısı iletkenliği ve mukavemet gibi değerli özellikler kazandırır. Bununla birlikte, düzgün bir şekilde kontrol edilmezse, kristalleşme malzemeyi zayıflatabilir ve polimer zincirine aşırı yük bindirebilir. Bu durum, özellikle polimerler donma sıcaklıkları veya yoğun basınç gibi aşırı koşullara maruz kaldığında sorun oluşturur.
Optimum performansı garanti etmek için, bir polimerin mekanik strese nasıl tepki vereceğini ve kristalleşmenin bu cevaba ne ölçüde katkıda bulunduğunun tahmin edilmesi gerekir. Bununla birlikte bilim insanları, malzemeyi yok etmeden onları doğrudan gözlemleyememelerinden veya doğru bir şekilde ölçememelerinden kaynaklı olarak kristalizasyon sırasında ortaya çıkan karmaşık kuvvetler hakkında çok az şey biliyorlar.
Polimer bilimindeki son gelişmelere dayanarak, Tokyo Tech’den Profesör Hideyuki Otsuka liderliğindeki bir araştırma grubu, polimer kristalleşmesini gerçek zamanlı olarak görselleştirmek için bir yöntem üzerinde çalışıyor. Nature Communications‘da yayınlanan yakın tarihli bir çalışmada, polimer yapılarına gömülü radikal tip “mekanoforlar” olarak adlandırılan oldukça reaktif moleküller kullandılar. Radikal tip mekanoforlar, mekanik strese duyarlıdır ve stresin ne zaman ve nasıl uygulandığını bilmek için bir prob görevi görebilen iki eşdeğer radikal türe kolayca ayrılır. Araştırmalarında kristalizasyon sırasındaki mekanik kuvvetleri incelemek için, mekanik strese maruz kaldığında floresan yayan “TASN” adı verilen radikal tip bir mekanofor kullandılar.
Ekip daha önce benzer moleküller kullanmıştı ve bunların bir polimer malzeme içindeki mekanik stres derecesini görselleştirmek ve değerlendirmek için kullanılabileceğini gösterdi. Bu çalışmada, bir polimerin kristalleşmesini gözlemlemek için benzer bir yöntem kullandılar. Kristaller oluştukça mekanik kuvvetler, yapısındaki mekanoforların karakteristik bir sarı floresan ile daha küçük pembe renkli radikallere ayrılmasına neden oldu ve sürecin doğrudan gözlemlenebilmesini sağladı. Araştırmacılar, polimer malzemedeki üç boyutta bile kristalizasyon oranını, hatta kapsamını ve yerini belirlemek için -floresan yüksek görünürlük sağladığından- floresan dalga boylarını ölçebildiler.
Profesör Otsuka, bu bulgunun önemini şöyle açıklıyor: “Polimer kristalizasyonunun doğrudan görselleştirilmesi, kristal büyüme süreçlerine eşi görülmemiş bir bakış açısı sunuyor.”
Gerçekten de bu yöntem, kristalleşme sırasında belirli mekanik özellikler için polimer malzemelerin test edilebilmesini sağlar. Araştırmacılar, çalışmalarının istenen özellikleri elde etmek için kristalizasyon sürecini kontrol ederek polimer malzemelerin endüstriyel optimizasyonunu sağlayacağına inanıyorlar. Profesör Otsuka bunun, gelişmiş polimer malzemeler için yeni tasarım yönergelerine öncülük yapacağını söylüyor.
Referans: Sota Kato, Shigeki Furukawa, Daisuke Aoki, Raita Goseki, Kazusato Oikawa, Kousuke Tsuchiya, Naohiko Shimada, Atsushi Maruyama, Keiji Numata ve Hideyuki Otsuka, 5 Ocak 2021, Nature Communications tarafından “Polimer kristalizasyonunun görselleştirilmesi için kristalizasyon kaynaklı mekanofloresans”
Kaynak: scitechdaily.com
