Почему одни кристаллы деформируются как пластик, а другие превращаются в порошок? Российские исследователи определили параметр, который объясняет это явление без необходимости проведения краш-тестов.
Органические кристаллы давно рассматриваются как одни из наиболее перспективных материалов для создания гибкой электроники, носимых сенсоров и мягких роботов. Однако заранее предсказать, будет ли такой кристалл пластичным или хрупким, до сих пор было крайне трудно.
Ученые из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН предложили новый критерий оценки — энергию скольжения молекулярных слоев. Исследование показало, что именно этот параметр позволяет значительно точнее предсказывать механические свойства материала. Результаты опубликованы в журнале Crystal Growth & Design.
Когда слоистая структура не гарантирует гибкость
Ранее считалось, что гибкость органических кристаллов определяется, прежде всего, их слоистой структурой: внутри слоев молекулы должны быть крепко связаны, а между слоями — слабо. Предполагалось, что благодаря этому слои могут легко смещаться друг относительно друга.
Тем не менее, эксперименты продемонстрировали, что данный подход не всегда срабатывает. Химики находили как хрупкие кристаллы с «правильной» слоистой структурой, так и гибкие материалы без четко выраженных слоев.
Для выяснения причин, исследователи проанализировали две формы пиразинамида — вещества, используемого в лечении туберкулеза. Хотя химический состав у них был одинаковым, одна форма оказалась пластичной, а другая — крайне хрупкой.
Компьютерное моделирование и лабораторные эксперименты продемонстрировали: ключевую роль играет уровень 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 полагают, что новый подход поможет создавать материалы с заранее определенными свойствами. Это актуально не только для электроники и фотоники, но и для фармацевтики.
Пластичность кристаллов непосредственно влияет на поведение порошка при прессовании таблеток. Поэтому понимание механики кристаллов может способствовать улучшению производства медикаментов.