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摘要：研究团队开发出一种名为二芳基乙腈-α-羧酸酯（DAANAC）的分子骨架，其耐热、耐光，仅在受力时生成荧光自由基，能够实现材料探伤的可视化。

关键词：力敏基团、DAANAC、材料探伤、荧光自由基、力致变色

要点

开发出一种耐热、耐光，仅在受力时发生反应的新型力学响应性分子
结合计算化学预测与实验验证来设计分子结构
有望开发出在使用环境中保持稳定，并在损坏前通过发光传递“危险信号”的高性能材料

概要

研究团队开发出一种耐热、耐光，仅在受力时发生反应的新型力学响应性分子（力敏基团）。

塑料和橡胶等高分子材料是支撑我们日常生活的重要物质。在此背景下，为提高材料安全性，近年来正在推进能够通过发光检测材料受力程度的高性能高分子聚合物。将力敏基团嵌入高分子聚合物内，受力部位会发生力敏基团特有的化学反应，从而实现损伤“可视化”。

然而，传统的力敏基团大多是基于在热和光作用下也会发生反应的不稳定化学键，在实际应用环境中的稳定性是一大难题。为此，研究团队结合基于密度泛函理论（Density functional theory，DFT）计算的预测与实验验证，设计出一种对热和光极其稳定，仅在受力时发出荧光（图1）的分子骨架。

该研究团队开发的名为二芳基乙腈-α-羧酸酯（DAANAC）的分子骨架，在超过200℃的高温和紫外线照射下仍能保持稳定；而且在高分子聚合物中，当受到研磨或拉伸等外力作用时，该骨架会生成具有荧光性的自由基，经确认这是一种力敏基团。

此次的成果为设计新型高性能材料提供了指导，在使用环境中能保持稳定性的同时，能够通过荧光高灵敏度检测材料的损伤和劣化，有望应用于更安全、更耐用的结构材料和智能聚合物。

图1. 本研究概要图

背景

以塑料、橡胶、纤维等为代表的高分子材料应用广泛，包括从支撑日常生活的日用产品到航空航天产业、信息通信技术等前沿领域。这些材料一旦出现劣化或损坏，可能会影响社会系统的安全性和可靠性。因此，近年来，能够检测和显示材料承受的应力、提前预警危险的功能性高分子材料的开发备受关注。

在此背景下，“力学响应性分子（力敏基团）”受到关注，这类分子在受力（机械刺激）时会发生特定的化学反应，导致颜色或荧光特性发生变化。将力敏基团引入高分子链，材料受力集中的部位会发生特有的反应，通过颜色变化或发光可实现损伤部位的可视化。近年来，除了光学特性变化，还在推进具有自我强化、小分子释放等多种响应方式的力敏基团的设计。

然而，许多传统的力敏基团的设计原理是在受力时激发原本由热或光引起的反应，存在对力以外的刺激也会产生响应的问题。因此，如果能够实现对热和光的稳定性、仅对力作出响应的力敏基团，则有望为开发更可靠的传感器和新一代高分子材料做出巨大贡献。

研究成果

研究团队并未采用以往选择“施加外力后易断裂的弱分子”，而是以看似不易断裂的分子为对象，运用能够预测分子内哪些化学键在受力时容易断裂的DFT计算，寻找能够响应外力的分子。结果发现，一种名为二芳基乙腈-α-羧酸酯（DAANAC）的分子骨架在受力时可能会生成荧光自由基（图2）。

图2. DAANAC骨架的力学响应性模拟结果

为验证计算结果，研究团队实际合成了DAANAC，并将其引入交联高分子聚合物中。对得到的聚合物薄膜进行拉伸试验，结果如预期那样，发现了源于荧光自由基的发光，通过电子自旋共振（Electron spin resonance，ESR）测量也确认了自由基的生成（图3）。这证实了DAANAC骨架是一种能够由外力引发特定化学反应的“力敏基团”。

图3. （a）聚合物薄膜中的DAANAC的活性化（b）薄膜拉伸前后的照片

此外，DAANAC骨架在超过200℃的高温和紫外线（365 nm和254 nm）照射下不会发生分解，表现出高度稳定性。这些结果表明，DAANAC是一种新型的仅对力做出响应的力敏基团。这一发现突破了传统的“利用易断裂化学键实现力学响应”的方法，有助于设计兼顾稳定性和灵敏度的新一代力敏基团和实现力致变色高分子。