Энергия скольжения поможет отличать гибкие органические кристаллы от хрупких - ученые РФ
Российские ученые показали, что гибкость органических кристаллов зависит не только от слоистой структуры, но и от энергии скольжения молекулярных слоев. Это поможет точнее создавать материалы для гибкой электроники, мягкой робототехники и медицины.
Источник: Юлия Позднякова / ИХТТМ СО РАН. Участники исследовательского коллектива за работой.
МОСКВА, 8 мая. /Новости науки/. Ученые из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН нашли параметр, который помогает точнее предсказывать, будет органический кристалл гибким или хрупким. Им оказалась энергия скольжения — количество энергии, которое нужно затратить, чтобы сдвинуть молекулярные слои кристалла друг относительно друга. Об этом сообщила пресс-служба Российского научного фонда.
«Чтобы понять, как структура кристаллов определяет их способность к пластическому изгибу, мы провели компьютерное моделирование и эксперименты с выращенными в лаборатории кристаллами двух форм пиразинамида. Это позволило впервые показать, что ключевую роль здесь играет энергетический барьер скольжения слоев», — рассказал исполнитель проекта, аспирант НГУ и младший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН Александр Дубок.
Органические кристаллы обычно считают твердыми и хрупкими. Но часть таких материалов может гнуться, как пластик или резина. Эти свойства важны для гибких дисплеев, нательных датчиков, фотоники, мягких роботов и медицинских технологий. Главная трудность в том, что заранее предсказать гибкость кристалла было сложно.
Раньше ученые считали, что кристалл будет гнуться, если у него есть слоистая структура. В такой структуре молекулы внутри слоя связаны крепко, а между слоями — слабее. По этой логике слои должны легко смещаться друг относительно друга, а сам кристалл — изгибаться без разрушения. Однако это правило работало не всегда. Исследователи находили хрупкие кристаллы с хорошей слоистой структурой и гибкие кристаллы без явно выраженных слоев.
Авторы работы проверили новый подход на пиразинамиде. Это вещество используют как противотуберкулезный препарат. Оно может существовать в разных кристаллических формах. Альфа-форма пиразинамида оказалась пластичной, а дельта-форма — хрупкой, хотя химический состав у них одинаковый.
Ученые вырастили кристаллы двух форм пиразинамида в лаборатории и изучили их с помощью компьютерного моделирования. Оказалось, что обе формы имеют слоистую структуру и похожие связи между слоями. Но энергия скольжения у них сильно различалась. У гибкой альфа-формы она была в несколько раз ниже, чем у хрупкой дельта-формы.
Иными словами, важна не только сама слоистость. Нужно учитывать, насколько легко эти слои могут смещаться. Если энергетический барьер низкий, кристалл может изгибаться. Если высокий — материал скорее разрушится при нагрузке.
«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», — отметил руководитель проекта, старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН Денис Рычков.
По словам исследователей, в дальнейшем они планируют собрать базу данных пластичных кристаллов. Это поможет создать более универсальную модель, которая будет заранее показывать, какие органические кристаллы смогут гнуться, а какие останутся хрупкими.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Crystal Growth & Design.
«Чтобы понять, как структура кристаллов определяет их способность к пластическому изгибу, мы провели компьютерное моделирование и эксперименты с выращенными в лаборатории кристаллами двух форм пиразинамида. Это позволило впервые показать, что ключевую роль здесь играет энергетический барьер скольжения слоев», — рассказал исполнитель проекта, аспирант НГУ и младший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН Александр Дубок.
Органические кристаллы обычно считают твердыми и хрупкими. Но часть таких материалов может гнуться, как пластик или резина. Эти свойства важны для гибких дисплеев, нательных датчиков, фотоники, мягких роботов и медицинских технологий. Главная трудность в том, что заранее предсказать гибкость кристалла было сложно.
Раньше ученые считали, что кристалл будет гнуться, если у него есть слоистая структура. В такой структуре молекулы внутри слоя связаны крепко, а между слоями — слабее. По этой логике слои должны легко смещаться друг относительно друга, а сам кристалл — изгибаться без разрушения. Однако это правило работало не всегда. Исследователи находили хрупкие кристаллы с хорошей слоистой структурой и гибкие кристаллы без явно выраженных слоев.
Авторы работы проверили новый подход на пиразинамиде. Это вещество используют как противотуберкулезный препарат. Оно может существовать в разных кристаллических формах. Альфа-форма пиразинамида оказалась пластичной, а дельта-форма — хрупкой, хотя химический состав у них одинаковый.
Ученые вырастили кристаллы двух форм пиразинамида в лаборатории и изучили их с помощью компьютерного моделирования. Оказалось, что обе формы имеют слоистую структуру и похожие связи между слоями. Но энергия скольжения у них сильно различалась. У гибкой альфа-формы она была в несколько раз ниже, чем у хрупкой дельта-формы.
Иными словами, важна не только сама слоистость. Нужно учитывать, насколько легко эти слои могут смещаться. Если энергетический барьер низкий, кристалл может изгибаться. Если высокий — материал скорее разрушится при нагрузке.
«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», — отметил руководитель проекта, старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН Денис Рычков.
По словам исследователей, в дальнейшем они планируют собрать базу данных пластичных кристаллов. Это поможет создать более универсальную модель, которая будет заранее показывать, какие органические кристаллы смогут гнуться, а какие останутся хрупкими.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Crystal Growth & Design.
