东京工业大学物质理工学院应用化学系的大冢英幸教授、渡部拓马研究生，成功开发出了一种可通过形变向分子链传递机械力切断分子链，呈现出高灵敏度色彩变化的高分子材料。另外，研究团队还着眼于分子链呈三维网眼状的交联高分子在吸收液体膨胀的膨润过程中出现的高分子链变形，成功地将作用于高分子链的力可视化，并明确了切断反应的机理。
研究团队选取的对象是，受力后反应性弱且产生稳定自由基的二芴基琥珀腈（Difluorenylsuccinoni-trile、DFSN）架构。DFSN在室温下呈化学稳定状态，但施加机械力后，中央的碳-碳共价键会选择性切断，产生一种粉色的自由基。因此，DFSN能够通过颜色变化来检测出高分子链中受到的机械力。但问题是，切断DFSN的共价键需要很大的机械力，所以其反应效率太低。
对此，研究团队提出了一种将DFSN导入到网眼被事先拉伸的多重网络聚合物中的方法。多重网络聚合物的特征是具有针脚和网眼，通过活用其结构，研究团队降低了DFSN活性化所需要的拉伸应变，并提高了反应效率。
图1.（a）DFSN的分子结构及化学性质。（b）DFSN活化过程的模式图。（提供：东京工业大学）
在本次研究中，研究团队在网眼被事先拉伸的多重网络聚合物构造中导入DFSN，合成出了交联聚合物，然后将其浸渍在各种溶剂中。结果，在与聚合物有着优异的亲和性、膨润量较大（交联高分子吸收溶剂产生的体积增加）的溶剂中，聚合物会呈现出显著的颜色变化。研究团队通过能够定量检测自由基的电子自旋共振（ESR）法，定量评价了膨润过程中的自由基量的变化，发现随着膨润的进展，来自DFSN架构解离的自由基出现了增加。
研究团队发现，在高分子链运动活跃的凝胶状态下，由于自由基之间的重组反应，自由基量会快速减少。但在高分子链被拉伸的状态下，由于重组反应被特异性抑制，因此能够观察到颜色的变化。另外，研究团队还发现了单轴伸长和膨润变形的反应机理在实质上是一致的现象，明确了这是一种含有DFSN的网眼被大幅拉伸后产生的张力所导致的化学反应。此外，研究团队还将由于溶剂膨润产生的来自DFSN的自由基，用作自由基聚合的引发剂，实现了交联聚合物的后天改性。
大冢教授表示：“本次的研究结果，定量检测出了交联聚合物的断裂，并实现了可视化，可以为高分子材料劣化和破坏机制的研究做出贡献。另一方面，该成果也为开发经水和海水膨润后，分解性会大幅提高的环境友好型新一代高分子材料提供了重要灵感。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Angewandte Chemie International Edition
论文：Swelling-induced Mechanochromism in Multinetwork Polymers
DOI：10.1002/anie.202216469
