Сибирские ученые исследуют, почему некоторые кристаллы обладают гибкостью

Новости МирТесен

Ученые из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН и Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» провели сравнение двух гибких органических кристаллов. Они установили, что важную роль в определении способности кристалла к изгибу играет его энергия, в особенности энергия, затрачиваемая на перемещение слоев при деформации. Подобное понимание необходимо для разработки материалов с заранее заданными характеристиками, в частности, в сфере микроэлектроники. Работа опубликована в The Journal of Physical Chemistry C (Q1).

В настоящее время гибкие органические кристаллы представляют собой многообещающий материал для использования, например, в сенсорах, микроробототехнике и дисплеях различной конфигурации. Тем не менее, параметры, влияющие на гибкость, остаются не до конца изученными. По словам старшего научного сотрудника ИХТТМ СО РАН, кандидата химических наук Дениса Александровича Рычкова, одного из авторов исследования, в кристаллографических базах данных содержится более миллиона органических структур, и лишь несколько сотен классифицируются как гибкие органические кристаллы. При этом это свойство обычно определяется экспериментально: кристалл выращивается, затем подвергается изгибу, и констатируется наличие гибкости.

Целью исследования, проведенного авторами, является определение факторов, определяющих гибкость, чтобы впоследствии можно было отбирать подходящие структуры из доступных и даже создавать новые с заданными параметрами. «При прогнозировании свойств соединений или структур, необходимо понимать физические основы возникновения этого свойства», – отмечает Денис Рычков.

В данной работе были изучены два органических кристалла – гексахлорбензол и гексабромбензол. Оба кристалла обладают гибкостью, однако в различной степени: гексабромбензол демонстрирует большую жесткость и менее подвержен деформации. С использованием вычислительных методов исследователи провели анализ взаимодействия внутри кристаллической структуры на атомном, молекулярном и слоистом уровнях, а также определили энергию связей для каждого из этих уровней. Согласно одной из распространенных гипотез, гибкие кристаллы характеризуются слоистой структурой, и при изгибе слои смещаются относительно друг друга. «Это можно сравнить со сгибанием стопки бумаги, – отмечает научный сотрудник ИХТТМ СО РАН, кандидат химических наук Ирина Сергеевна Третьякова. – Прикладывая усилие к стопке, можно наблюдать смещение листов относительно друг друга».

Изучая механизм, определяющий гибкость кристалла, специалисты сопоставили полученные данные и установили, что энергетические показатели гексабромбензола оказались вдвое выше, чем у гексахлорбензола. Тем не менее, на основании этих результатов нельзя было определить порог, с которого проявляется гибкость. В связи с этим исследователи провели анализ всех параметров, в частности, они оценили объем энергии, необходимой для смещения слоев кристалла. «Мы предполагаем, что при смещении слоев происходит их проскальзывание, поэтому мы вычислили энергию, затрачиваемую на скольжение одного слоя по отношению к другому», — объясняет Ирина Третьякова. Оказалось, что при сравнении этого показателя не в абсолютном выражении, а в виде доли энергии, затраченной на скольжение, от общей энергии кристалла, процентное соотношение оказалось одинаковым для обоих кристаллов. Таким образом, данный параметр может служить индикатором гибкости.

«По словам Дениса Рычкова, абсолютные характеристики, такие как энергия, определяют, насколько просто или затруднительно осуществить определенные действия для конкретной системы, а относительные — указывают на наличие или отсутствие данного свойства.

В последующих исследованиях планируется изучить и другие характеристики кристаллов для определения дополнительных параметров, влияющих на их гибкость. «Некоторые данные, полученные в рамках этой работы, крайне затруднительно или вовсе невозможно получить экспериментальным путем, — отмечает Денис Рычков, — к примеру, вычисление энергии взаимодействия двух определенных молекул или исследование изменений в структуре при одновременном растяжении кристалла во всех направлениях. Однако расчетные методы, выступающие в роли своего рода численного эксперимента, позволяют это осуществить. Наша задача заключается в разработке самого виртуального эксперимента и определении конкретной методики его проведения, используя доступные современному исследователю инструменты. В будущем подобные исследования смогут проводиться, например, на ЦКП СКИФ, где будет осуществляться анализ экспериментальной деформации кристалла».

Данная работа была осуществлена при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-73-10142, целью которого является разработка методов определения и прогнозирования свойств органических материалов нового поколения, обладающих высокой механической деформацией, с использованием современных вычислительных технологий».

Материалы и изображение предоставлены Управлением СО РАН по пропаганде и популяризации научных достижений