Карта энергии скольжения для гибкой альфа-формы пиразинамида
Органические кристаллы давно считаются одним из самых перспективных материалов для гибкой электроники, носимых датчиков и мягких роботов. Однако заранее определить, будет ли такой кристалл пластичным или хрупким, до сих пор было крайне сложно.
Исследователи из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН предложили новый критерий оценки — энергию скольжения молекулярных слоев. Работа показала, что именно этот параметр позволяет гораздо точнее прогнозировать механические свойства материала. Результаты опубликованы в журнале Crystal Growth & Design.
Когда слоистая структура не гарантирует гибкость
Ранее ученые считали, что гибкость органических кристаллов определяется главным образом их слоистой структурой: внутри слоев молекулы должны быть связаны прочно, а между слоями — слабо. Предполагалось, что благодаря этому слои могут легко смещаться друг относительно друга.
Электронная микрофотография хрупких кристаллов альфа формы пиразинамидаОднако эксперименты показали, что такой подход работает не всегда. Химики обнаруживали как хрупкие кристаллы с «правильной» слоистой структурой, так и гибкие материалы без явно выраженных слоев.
Чтобы разобраться в причине, исследователи изучили две формы пиразинамида — вещества, применяемого в терапии туберкулеза. Несмотря на одинаковый химический состав, одна форма оказалась пластичной, а другая — крайне ломкой.
Компьютерное моделирование и лабораторные эксперименты показали: решающую роль играет количество энергии, необходимой для смещения слоев относительно друг друга. У гибкой формы пиразинамида этот энергетический барьер оказался значительно ниже.
От таблеток до гибких дисплеев
Авторы исследования считают, что новый подход поможет создавать материалы с заранее заданными свойствами. Это важно не только для электроники и фотоники, но и для фармацевтики.
Пластичность кристаллов напрямую влияет на то, как ведет себя порошок при прессовании таблеток. Поэтому понимание механики кристаллов может помочь улучшить производство лекарств.
Оптическая микрофотография изогнутых кристаллов альфа-формы пиразинамидаИнтересно, что исследования процессов скольжения сегодня активно развиваются и в других областях науки. Например, физики изучают сверхнизкое трение в двумерных материалах вроде графена, где слои могут буквально «скользить» друг по другу почти без сопротивления. Такие эффекты рассматриваются как основа для создания новых наномеханических устройств и сверхэкономичных электронных компонентов.
Еще одно направление связано с так называемыми «скользящими кристаллами» в полимерных нанокомпозитах. В подобных системах контролируемое движение кристаллических структур помогает эффективно рассеивать механическую энергию и повышать прочность материалов.
Рассчитать энергию скольжения слоев кристалла довольно просто — это позволяют сделать современные методы компьютерного моделирования. При этом оценка данного параметра позволит точнее предсказывать свойства разрабатываемых учеными новых материалов для гибкой электроники, фотоники, мягкой робототехники и медицины. В дальнейшем мы планируем собрать базу данных пластичных кристаллов, чтобы установить точные количественные характеристики и создать универсальную модель изгиба органических кристаллов.Денис Рычков
Денис Рычков на занятиях со студентами НГУНедавно ученые рассказали о сверхскользящих материалах будущего, которые не удержать в руках.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
