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.
Однако 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.
Интересно, 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
Недавно ученые рассказали о сверхскользящих материалах будущего, которые не удержать в руках.
Источник: hi-tech.mail.ru