Энергия скольжения: новый критерий гибкости органических кристаллов

Большинство людей представляет кристаллы как нечто твердое и хрупкое. Однако существуют органические кристаллы, которые можно согнуть подобно мягкому пластику или резине. Такие материалы перспективны для гибкой электроники, нательных датчиков и «мягкой» робототехники. Пока они используются в основном в лабораторных экспериментах, но потенциал их велик.

Слоистая структура — не гарантия гибкости

Ранее считалось, что гибкость кристалла обеспечивается его слоистым строением: молекулы внутри слоя связаны прочно, а между слоями — слабо, что позволяет слоям скользить друг относительно друга. Однако этот принцип оказался не универсальным. Химики вырастили хрупкие кристаллы с идеальной слоистой структурой и, наоборот, гибкие кристаллы без явных слоев.

Ученые из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск) при поддержке Российского научного фонда (РНФ) решили разобраться в этом противоречии. Они исследовали пиразинамид — соединение, которое существует в двух кристаллических формах: гибкой альфа-форме и хрупкой дельта-форме. Несмотря на одинаковый химический состав, их механические свойства кардинально различаются.

Энергия скольжения — решающий фактор

С помощью компьютерного моделирования и экспериментов с выращенными в лаборатории кристаллами ученые обнаружили, что ключевую роль играет энергетический барьер скольжения слоев — энергия, которую нужно затратить, чтобы сдвинуть слои относительно друг друга. У гибкой альфа-формы эта энергия оказалась в разы ниже, чем у хрупкой дельта-формы.

«Именно этот параметр в большей степени определяет, будет ли кристалл гнуться, подобно пластилину, либо станет разрушаться при деформации», — поясняет Александр Дубок, аспирант НГУ и младший научный сотрудник института.

Оценка энергии скольжения довольно проста с помощью современных методов компьютерного моделирования. Учет этого параметра наряду с другими характеристиками слоев позволит точнее предсказывать свойства новых материалов для гибкой электроники, фотоники, мягкой робототехники и медицины.

В дальнейшем исследователи планируют собрать базу данных пластичных кристаллов, чтобы установить точные количественные характеристики и создать универсальную модель изгиба органических кристаллов. Это упростит проектирование материалов с заданными свойствами. Результаты исследования опубликованы в журнале Crystal Growth & Design.