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Bridging pico-to-nanonewtons with a ratiometric force probe for monitoring nanoscale polymer physics before damage

聚合物 纳米尺度 化学物理 材料科学 纳米技术 共价键 化学 复合材料 有机化学
作者
Ryota Kotani,Soichi Yokoyama,Shunpei Nobusue,Shigehiro Yamaguchi,Atsuhiro Osuka,Hiroshi Yabu,Shohei Saito
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:65
标识
DOI:10.1038/s41467-022-27972-y
摘要

Abstract Understanding the transmission of nanoscale forces in the pico-to-nanonewton range is important in polymer physics. While physical approaches have limitations in analyzing the local force distribution in condensed environments, chemical analysis using force probes is promising. However, there are stringent requirements for probing the local forces generated before structural damage. The magnitude of those forces corresponds to the range below covalent bond scission (from 200 pN to several nN) and above thermal fluctuation (several pN). Here, we report a conformationally flexible dual-fluorescence force probe with a theoretically estimated threshold of approximately 100 pN. This probe enables ratiometric analysis of the distribution of local forces in a stretched polymer chain network. Without changing the intrinsic properties of the polymer, the force distribution was reversibly monitored in real time. Chemical control of the probe location demonstrated that the local stress concentration is twice as biased at crosslinkers than at main chains, particularly in a strain-hardening region. Due to the high sensitivity, the percentage of the stressed force probes was estimated to be more than 1000 times higher than the activation rate of a conventional mechanophore.

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