Flapping Molecules for Local Force / Local Viscosity Imaging with Ultra-low Threshold

用于超低阈值局部力/局部粘度成像的扑动分子

• 批准号: 21H01917
• 负责人: 齊藤 尚平
• 金额: $ 11.32万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01917/
• 关键词: Force Probe; Viscosity Probe; ポリマーメカノケミストリー; レシオメトリック蛍光プローブ; 延伸誘起結晶化; 蛍光フォースプローブ; 高分子レオロジー; ナノ応力集中; 蛍光粘度プローブ; ネマチック液晶; 蛍光レシオメトリック解析; 蛍光イメージング; FLAP; 応力応答材料; 圧力センシング; PDMS; 高分子ゲル; 圧縮応力; レシオメトリック蛍光イメージング; 二重蛍光; Forceプローブ; 粘度; 応力; ゲル・高

亀裂などの破壊が起こる前に、高分子材料の中でどのくらいの比率の分子鎖がピンと張られているかを知る上で最適な、新しいタイプの蛍光フォースプローブを開発した。一般に高分子材料が変形して特定の分子鎖に無理な力がかかると、ついには化学結合が切れてしまい、材料の破壊が進む。しかし、そうなる前のタイミングでは、およそ100 pN の力が分子鎖にかかってピンと張られる。独自に開拓した羽ばたく蛍光分子群FLAPはこの領域の力に可逆応答する蛍光フォースプローブである。すなわち、FLAP はV 字型構造が安定で青色蛍光を示すが、共有結合が切れない程度の微弱な張力がかかっている間だけ、基底状態で強制的に平面化され、緑色蛍光を発する。微量のFLAPを分子鎖に導入した高分子材料で一軸延伸のサイクル試験をしたところ、蛍光スペクトル形状が可逆変化し、蛍光レシオメトリック解析により分子鎖に伝わる力の偏り（ナノ応力集中）に関する新たな高分子レオロジーの知見が得られた。また、FLAPフォースプローブを、溶媒が含まれる高分子ゲルにも適用できるよう改良した。その結果、溶媒を含むポリウレタンゲルを1 MPa未満の応力で圧縮したときに生じる、高分子鎖の張力分布を可逆的かつリアルタイムに動画撮影することに成功した。さらに、FLAPを導入したPEG高分子の溶液を、急縮小マイクロ流路に流したところ、高分子鎖にかかる伸長応力に応答して、流速に応じた蛍光スペクトル変化が観察された。また、FLAPは、1から100 cPという低閾値の粘度範囲において、動く観察対象の局所における粘度分布を解明できる。今回、ネマチック液晶である5CBが等方相へ熱相転移する際の微弱な粘度変化をFLAPの蛍光レシオ解析により捉えることができた。また、共同研究により、FLAP自体が溶液から固体へと乾固する凝集過程を蛍光スペクトルイメージングにより追跡した。

我们开发了一种新型荧光力探针，非常适合确定聚合物材料中在裂纹或其他故障发生之前保持拉紧的分子链的比例。一般来说，当聚合物材料变形并对特定分子链施加过大的力时，化学键最终会断裂，导致材料进一步破坏。然而，在此之前，大约 100 pN 的力会施加到分子链上，使其变得拉紧。 FLAP是一组独立开发的扑动荧光分子，是一种荧光力探针，可逆地响应该区域的力。换句话说，FLAP具有稳定的V形结构并表现出蓝色荧光，但只有当施加不破坏共价键的微弱张力时，它才会在基态下被强制压平并发出绿色荧光。当我们对分子链中引入少量 FLAP 的聚合物材料进行单轴拉伸循环测试时，荧光光谱的形状发生可逆变化，荧光比率分析揭示了有关传递到分子链的力偏差的新信息。获得了聚合物流变学的知识。我们还改进了 FLAP 力探针，使其可以应用于含有溶剂的聚合物凝胶。结果，他们成功地可逆地实时视频记录了含有溶剂的聚氨酯凝胶在小于 1 MPa 的应力下压缩时发生的聚合物链张力分布。此外，当含有FLAP的PEG聚合物溶液流过快速收缩的微通道时，观察到荧光光谱随施加于聚合物链的伸长应力而随流速变化。此外，FLAP 可以阐明运动物体在 1 至 100 cP 的低阈值粘度范围内的局部粘度分布。这次，我们利用 FLAP 荧光比分析捕获了向列液晶 5CB 热相变到各向同性相期间的轻微粘度变化。此外，通过联合研究，我们利用荧光光谱成像跟踪了 FLAP 本身从溶液干燥到固体的聚集过程。

项目成果

Dual Ratiometric Fluorescence Monitoring of Mechanical Polymer Chain Stretching and Subsequent Strain-Induced Crystallization.

机械聚合物链拉伸和随后的应变诱导结晶的双比率荧光监测。

• DOI: 10.1021/jacs.3c09175
• 发表时间: 2023-12-05
• 期刊: Journal of the American Chemical Society
• 影响因子: 15
• 作者: Kensuke Suga;T. Yamakado;Shohei Saito
• 通讯作者: Shohei Saito

Two-Step Fluorescence Color Change of a Force Probe in Stretched Elastomers

拉伸弹性体中力探针的两步荧光颜色变化

• 发表时间: 2022
• 作者: Kensuke Suga; Takuya Yamakado; Shohei Saito
• 通讯作者: Shohei Saito

Real-time control of liquid crystalline adhesive by turning ultraviolet light on and off

通过紫外灯的开启和关闭实时控制液晶胶

• 发表时间: 2021
• 作者: Tomoaki Konishi; Yuri Saida; Wataru Yajima; Ryo Shikata; Masaki Hada; Yuushi Shimoda; Kiyoshi Miyata; Yusuke Yoneda; Hikaru Kuramochi; Yumi Nakaike; Mitsuo Hara; Ryuma Sato; Takuya Yamakado; Ryota Kotani; Shohei Saito
• 通讯作者: Shohei Saito

Flexible Mechanophore Activated in Crystals

晶体中激活的柔性机械载体

• 发表时间: 2021
• 作者: 齊藤 尚平

TIFR(インド)

TIFR（印度）