In Situ and Real-Time Visualization of Mechanochemical Damage in Double-Network Hydrogels by Prefluorescent Probe via Oxygen-Relayed Radical Trapping

自愈水凝胶 化学 均分解 聚合物 脆性 氧气 键裂 光化学 可视化 纳米技术 激进的 高分子化学 复合材料 有机化学 材料科学 机械工程 催化作用 工程类
作者
Yong Zheng,Julong Jiang,Mingoo Jin,Daiyo Miura,Feixue Lu,Koji Kubota,Tasuku Nakajima,Satoshi Maeda,Hajime Ito,Jian Ping Gong
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (13): 7376-7389 被引量:64
标识
DOI:10.1021/jacs.2c13764
摘要

Visualization of mechanochemical damages, especially for those in the molecular-scale (e.g., bond scission in polymeric materials), is of great industrial and academic significance. Herein, we report a novel strategy for in situ and real-time visualization of mechanochemical damages in hydrogels by utilizing prefluorescent probes via oxygen-relayed free-radical trapping. Double-network (DN) hydrogels that generate numerous mechanoradicals by homolytic bond scission of the brittle first network at large deformation are used as model materials. Theoretical calculation suggests that mechanoradicals generated by the damage of the first network undergo an oxygen-relayed radical-transfer process which can be detected by the prefluorescent probe through the radical-radical coupling reaction. Such an oxygen-relayed radical-trapping process of the prefluorescent probe exhibits a dramatically enhanced emission, which enables the real-time sensing and visualization of mechanochemical damages in DN hydrogels made from brittle networks of varied chemical structures. To the best of authors' knowledge, this work is the first report utilizing oxygen as a radical-relaying molecule for visualizing mechanoradical damages in polymer materials. Moreover, this new method based on the probe post-loading is simple and does not introduce any chemical structural changes in the materials, outperforming most previous methods that require chemical incorporation of mechanophores into polymer networks.
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