Создан гнущийся при низких температурах органический кристалл | Популярный Университет

Создан гнущийся при низких температурах органический кристалл

Создан гнущийся при низких температурах органический кристалл

Ученые из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН совместно с сотрудниками лаборатории физико-химических основ фармацевтических материалов факультета естественных наук Новосибирского государственного университета получили органический кристалл, сохраняющий пластичность даже при температуре жидкого азота. Понимание критериев, которые делают это возможным, позволит в будущем открывать новые классы веществ и модификации материалов. Статья ученых опубликована в журнале Materials Today: Proceedings.

Кристаллы делятся на органические и неорганические. Первые широко применяются в различной технике, например в лазерах, вторые — чаще всего в фармацевтической промышленности и оптоэлектронике. Если зажать органический материал с двух сторон и с обратной стороны надавить на него, то при таком трехточечном давлении он должен сломаться. Среди органических и металлорганических веществ широко известны термомеханический и фотомеханический эффекты — способность кристаллов менять форму при нагреве и облучении светом соответственно.

Примерно в середине 2000-х годов начали находить молекулярные (органические) кристаллы, которые изменяют свою форму, когда их сгибают физически. Одно из таких веществ как раз обнаружили и описали исследователи из ИХТТМ СО РАН. Это соль — кислый малеат L-лейциния, — полученная методом медленного испарения. L-лейцин и малеиновую кислоту растворяли в дистиллированной воде, а затем капли этого раствора наносили на специально подготовленное стекло, где они медленно испарялись. 

«Как это часто бывает в науке, в какой-то степени получение такого кристалла было случайностью. — рассказывает заведующий лабораторией физико-химических основ фармацевтических материалов ФЕН НГУ, заместитель директора ИХТТМ СО РАН по научной работе кандидат химических наук Денис Александрович Рычков. — Во время экспериментов над целым рядом соединений мой коллега Сергей Архипов обнаружил, что этот смешанный кристалл имеет такое свойство, как пластичность. Мы решили разобраться в причинах и механизмах этого явления».  

Трехточечный изгиб кристалла кислого малеата L-лейциния в жидком азоте
Трехточечный изгиб кристалла кислого малеата L-лейциния в жидком азоте 

Чтобы посмотреть, как соединение ведет себя в различных условиях, его охладили на дифрактометре (приборе, который позволяет получить внутреннюю структуру кристалла) от комнатной температуры до 100 К (-173 °C). Когда исследователи получили, расшифровали и описали данные, то заметили, что внутренняя структура кристалла не претерпевает значительных изменений.

«На основании этих данных мы предсказали, что он должен сохранить свою способность гнуться и не возвращаться в исходную форму — пластичность — и при низких температурах. Самый наглядный способ проверить это — погрузить кристалл в жидкий азот и попробовать его согнуть. При этом инструменты и емкость, в которой проводился эксперимент, было необходимо высушить и охладить до его температуры: 77,4 K (-195,75 °C), иначе из-за их температуры жидкий азот кипит и ничего не видно. Чтобы избежать этого, емкость в жидком азоте помещали в такую же, тоже с азотом, но большего размера. С помощью инструментов мы создали трехточечное давление и согнули кристалл. Изучая литературу, мы не нашли других упоминаний и поняли, что это первый случай в мире», — говорит Денис Рычков.  

Затем исследователи начали разбираться в природе механизма изгиба на молекулярном уровне. Основная теория заключается в том, что в структуре есть как сильные, так и слабые связи, которые чередуются слоями. Представьте карандаши, сложенные в стопочку. Если внутри карандаша силы притяжения между молекулами значительные, то его не получится разделить пополам или согнуть. А вот сами карандаши же ничем не скреплены, соответственно, можно двигать их относительно друг друга вверх и вниз.

Точно так же пачка бумаги гнется посередине, потому что один лист может двигаться относительно другого. Так же и с кристаллами: молекулы образуют слои, и внутри слоя молекулы держатся друг за друга сильно, а между собой — довольно слабо. Когда взаимодействия между слоями слабые, они могут скользить, и это позволяет изгибать такие объекты.

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: