Большинство людей представляет кристаллы как нечто очень твердое и хрупкое. Однако существуют гибкие органические кристаллы, которые можно согнуть подобно мягкому пластику или резине. Такие материалы перспективны в качестве основы для гибких дисплеев, нательных датчиков и «мягких» роботов. Хотя массово гибкие кристаллы пока не используются в технике, лабораторные эксперименты демонстрируют их большой потенциал. Однако при проектировании подобных материалов ученые сталкиваются с проблемой: заранее предсказать, будет ли кристалл гнуться, оказывается сложно.
Обычно гибкость пытались рассчитать, опираясь на строение материала. Так, предполагали, что кристалл будет гнуться, если компьютерное моделирование предсказывало у него слоистую структуру, где молекулы внутри каждого слоя связаны крепко, а между слоями — слабо. Считалось, что именно эта особенность позволяет слоям легко скользить друг относительно друга и обеспечивать гибкость. Однако такой принцип оказался не универсальным: химики вырастили хрупкие кристаллы с идеальной слоистой структурой и гибкие кристаллы, которые, наоборот, не имели явно выраженных слоев.
Исследователи из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск) выяснили, что при оценке гибкости кристалла важно учитывать еще один параметр — так называемую энергию скольжения молекулярных слоев. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Crystal Growth & Design.
Ученые исследовали различия между гибкими и хрупкими кристаллами пиразинамида. Это соединение авторы выбрали потому, что оно существует в двух формах, сильно отличающихся по физическим свойствам. Так, несмотря на одинаковый химический состав, его альфа-форма имеет высокую пластичность, а дельта-форма оказывается крайне хрупкой. Поскольку пиразинамид широко используется в качестве противотуберкулезного препарата, важно знать свойства его кристаллических структур. Именно пластичность или хрупкость кристаллов напрямую влияют на поведение порошковой массы при прессовании и, как следствие, на удобство формирования таблеток из готовой лекарственной формы.
«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 — иными словами, сколько энергии требуется затратить, чтобы заставить слои кристалла смещаться друг относительно друга и обеспечивать изгиб. Именно этот параметр в большей степени и определяет, будет ли кристалл гнуться, подобно пластилину, либо станет разрушаться при деформации, как большинство известных кристаллов», — рассказывает исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Дубок, аспирант НГУ и младший научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии СО РАН.
Оказалось, что именно эту энергию скольжения наряду с другими (ранее известными) свойствами слоев нужно учитывать, чтобы точно предсказать, будет материал гибким или хрупким. Так, обе исследованные формы пиразинамида имели слоистую структуру и на первый взгляд совершенно одинаковые связи между слоями. Однако энергия скольжения слоев в них отличалась. У гибких альфа-форм она была в разы ниже, чем у хрупких дельта-форм кристалла.
«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», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Денис Рычков, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии СО РАН.
Ранее ученые нашли способ точно предсказывать свойства полиморфных материалов — веществ, которые могут существовать в нескольких кристаллических формах. Кристаллическая форма определяет физические свойства соединения, в частности, его растворимость и стабильность, которые, в свою очередь, влияют на эффективность лекарств.