Химики давно научились использовать для получения света молекулы диоксетаны. Под действием тепла или механической силы молекулярные связи в них рвутся, испуская свет. Американские исследователи выяснили, что в зависимости от типа воздействия этот процесс происходит по-разному. Это открытие может привести к появлению умных датчиков, которые светятся, когда материал достигает предела прочности.

Диоксетаны — это класс органических молекул, в основе которых лежит кольцо из двух атомов кислорода и двух атомов углерода. Это кольцо очень неустойчиво. Под действием тепла или механической силы оно разрывается, высвобождая энергию, которая излучается в виде света. Именно этот механизм лежит в основе биолюминесценции светлячков, некоторых видов грибов и морского планктона, а также применяется в производстве химических светильников.

При нагреве диоксетаны разрушаются упорядоченно: сначала разрываются связи кислород-кислород, а затем более прочные связи углерод-углерод. Долгое время предполагалось, что при механическом растяжении молекулы порядок будет тем же, что и при нагреве. Но компьютерное моделирование показало обратное: сила, приложенная к молекуле, сначала рвет углерод-углеродную связь. Это как если бы в натянутой цепи первой лопалось самое крепкое звено.

При моделировании ученые использовали квантово-механические модели, а для наглядности — даже инженерное программное обеспечение для расчета напряжений в мостовых конструкциях. Дополнительно они смоделировали разные диоксетаны и разные направления приложения силы — и везде картина была одинаковой.

Понимание того, где именно начинается разрыв, позволяет настраивать молекулы. Можно, например, сконструировать диоксетаны так, чтобы они начинали светиться только при превышении определенного порога силы. Это дает возможность создавать датчики напряжения: покрытый такими молекулами материал будет сам сигнализировать светом о том, что достиг критической нагрузки. Это может пригодиться в контроле состояния мостов, самолетов или имплантов. Кроме того, меняя точки приложения силы, можно управлять цветом излучаемого света.

Теперь исследователи планируют проверить свои модели в реальных экспериментах — синтезировать разные типы диоксетанов и замерить спектр излучения. Если предположение подтвердится, мы получим не только новый инструмент для материаловедения, но и ключ к разгадке одного из самых красивых явлений природы — света, рождающегося из разрушения.

Ученые разработали в прошлом году новую технологию визуализации, которая может изменить медицинские исследования процессов восстановления ДНК. Датчик успешно работает как в искусственных, так и живых клетках, не нарушая естественный процесс восстановления.