Исследователи 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» сравнили два гибких органических кристалла и выяснили, что существенную роль в том, гнется кристалл или нет, играет его энергия, а особенно та ее часть, которая тратится на смещение слоев в ходе сгибания. Понимание причин подобного явления необходимо в будущем для дизайна материалов с заданными свойствами, например в области микроэлектроники. Работа опубликована в The Journal of Physical Chemistry C (Q1).
Изменение энергии при сгибании кристалла. Иллюстрация Ирины Третьяковой
Гибкие органические кристаллы в настоящий момент рассматриваются как перспективный материал, например для сенсоров, микроробототехники или дисплеев самой разной конфигурации, однако до сих пор не выяснены параметры, которые определяют свойство гибкости. «В кристаллографических базах данных описано более миллиона органических структур, несколько сотен из них относят к гибким органическим кристаллам, но это свойство определено экспериментально: мы вырастили кристалл, согнули его и указали, что оно есть», — рассказывает один из авторов работы старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Денис Александрович Рычков.
Авторы работы видят своей задачей выяснить, какие характеристики влияют на гибкость, для того чтобы в дальнейшем можно было выбирать из имеющихся в распоряжении структур те, которые подходят по свойствам, и даже моделировать нужные параметры. «Когда мы говорим о том, что нужно предсказывать, какие соединения или какие структуры обладают тем или иным параметром, нам необходимо охарактеризовать это свойство: понять физические принципы, откуда оно появляется», — поясняет Денис Рычков.
В работе рассмотрены два органических кристалла: гексахлорбензол и гексабромбензол. Они оба гибкие, но в разной степени: последний более жесткий и гнется хуже. С помощью расчетных методов исследователи проанализировали внутреннее взаимодействие между атомами, молекулами и слоями и рассчитали энергию связей для всех этих уровней. Одна из общепринятых гипотез говорит о том, что гибкие кристаллы имеют слоистую структуру и при сгибании эти слои смещаются друг относительно друга. «Это похоже на сгибание стопки бумажных листов, — объясняет научный сотрудник ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Ирина Сергеевна Третьякова. — Когда мы берем стопку и прикладываем усилие, листы сдвигаются друг относительно друга, вы можете это очень просто проверить».
В поисках особенности, которая отвечает за гибкость кристалла, ученые сравнили полученные параметры и выяснили, что энергетические характеристики гексабромбензола примерно в два раза превышают характеристики гексахлорбензола, однако по этим данным нельзя было сделать вывод, с какой именно величины начинается гибкость. Тогда исследователи решили посмотреть на совокупность всех параметров и сравнить в частности количество энергии, которое необходимо потратить в кристалле на смещение слоев. «Есть предположение, что слои должны проскальзывать при подобном смещении, поэтому мы рассчитали энергию скольжения одного слоя относительно другого», — комментирует Ирина Третьякова. Получилось, что если этот параметр сравнить не в абсолютной величине, а в относительной — как долю потраченной на скольжение энергии от общей энергии кристалла, — то этот процент совпал у обоих кристаллов, а значит, такой параметр может быть маркером гибкости.
«Вероятно, абсолютные характеристики, в частности энергия, отвечают как раз за то, настолько легко или сложно что-то сделать для конкретной системы, а относительная — определяет, есть это свойство или нет», — поясняет Денис Рычков.
В дальнейшем исследователи предполагают рассмотреть другие свойства кристаллов, чтобы найти больше параметров, связанных с гибкостью. «Некоторые из полученных в этой работе данных очень сложно или практически невозможно извлечь с помощью экспериментов, — добавляет Денис Рычков, — например, посчитать энергию взаимодействия двух конкретных молекул или исследовать изменения в структуре, которые происходят, если мы будем растягивать кристалл во все стороны сразу, а расчетные методы как численный эксперимент позволяют это сделать. Наша роль как раз в том, чтобы придумать сам виртуальный эксперимент и то, как конкретно его сделать теми средствами, какие есть у современного ученого. В перспективе подобные исследования можно будет проводить на ЦКП СКИФ, например анализировать экспериментальную деформацию кристалла».
Работа выполнена в рамках гранта РНФ № 23-73-10142 «Разработка подходов определения и предсказания органических материалов нового поколения, способных к значительной механической деформации, современными расчетными методами».
Информация и иллюстрация предоставлены Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
