Ученые из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН, а также Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» провели сравнительный анализ двух гибких органических кристаллов и детально выяснили, какие факторы определяют способность материала изменять форму. Исследование показало, что ключевую роль придает энергия системы, и особенно важна доля этой энергии, затрачиваемая на смещение кристаллических слоев при изгибе. Новое понимание этих процессов открывает путь к созданию материалов с точно заданными свойствами, что становится крайне актуальным для передовых технологий, таких как микроэлектронные устройства.
Органические кристаллы: шаг в будущее микроэлектроники
Гибкие органические кристаллы в последнее время рассматриваются как инновационная платформа для создания сенсоров, микроэлектромеханических систем, гибких дисплеев и других устройств нового поколения. Несмотря на широкий интерес, до сих пор оставалось неясным, какие параметры определяют способность материалов к гибкости. Например, среди более чем миллиона описанных органических структур, лишь несколько сотен обладают демонстрируемой гибкостью, установленной экспериментальным путем – то есть вырастив и изогнув кристалл. Дальнейшее развитие этого направления требует глубокого понимания механизма, лежащего в основе этого необычного свойства.
В рамках исследования ученые сосредоточили внимание на органических кристаллах гексахлорбензола и гексабромбензола. Оба соединения интересны с точки зрения структуры и возможностей практического применения. При тщательном анализе выяснилось, что не столько химический состав, сколько особенности кристаллической упаковки и энергетические характеристики определяют, насколько материал способен деформироваться без разрушения.
Механизм гибкости: роль энергии и структуры
Специалисты подошли к задаче с междисциплинарной точки зрения, сочетая кристаллографию, химию твердого тела и современные методы синхротронного исследования. Тонкий анализ структуры позволил определить, что для гибкости кристалла огромную роль играет энергия, необходимая для смещения слоев вещества друг относительно друга. В гибких кристаллах эта энергия значительно ниже, чем в твердых, негнущихся аналогах, что и объясняет способность материала изменять свою форму, а затем возвращаться к исходному состоянию.
Кроме того, большое значение имеют такие характеристики, как тип межмолекулярных взаимодействий, наличие «скользящих плоскостей» внутри структуры, а также параметры кристаллической решетки. Все эти данные помогают сформировать представление о принципах, по которым кристаллы могут гнуться без разрушения. Благодаря этим научным открытиям становится возможным не только диагностировать уже существующие гибкие структуры, но и предсказывать или проектировать новые материалы с необходимыми свойствами, что увеличивает шанс быстрого перехода от фундаментальной химии к прикладному использованию в различных областях техники и промышленности.
Вклад РНФ и перспективы исследований
Продвижение этого исследовательского направления стало возможным благодаря поддержке Российского научного фонда (РНФ), что позволило команде Ирины Сергеевны Третьяковой и ее коллегам применить современные методы для раскрытия природы гибкости органических кристаллов. Использование крупнейших исследовательских инфраструктур Сибири, таких как «Сибирский кольцевой источник фотонов», дало возможность проводить измерения с высокой точностью и анализировать поведение материалов в разных условиях.
Полученные результаты открывают перед российской наукой вдохновляющие горизонты. Теперь ученые могут не только объяснять, почему одни кристаллы обладают уникальной гибкостью, а другие нет, но и целенаправленно формировать новые материалы для электроники, робототехники и других передовых индустрий. Поддержка инновационных исследований и развитие экспериментальной базы Сибири подтверждают: отечественная наука уверенно двигается по пути мирового признания, а коллективы исследователей продолжают делать открытия, меняющие представления о возможностях органических материалов.
В данной работе ученые подробно исследовали два интересных органических соединения- кристаллы: гексахлорбензол и гексабромбензол. Несмотря на то что оба материала обладают способностью к изгибу, их свойства различаются: гексабромбензол заметно тверже своего собрата и демонстрирует меньшую гибкость. Для большей ясности специалисты провели тщательный анализ их строения, воспользовавшись вычислительными методами, чтобы оценить взаимодействие на уровне атомов, молекул и даже целых слоев внутри кристалла.
Секреты слоистых кристаллов: неожиданные сходства и отличия
Одной из рабочих гипотез является представление о слоистой структуре гибких кристаллов. Подобно тому, как стопка бумаги при сгибе сдвигается слоями, так и в кристаллической решетке тонкие “пласты” могут смещаться друг относительно друга. Научный сотрудник ИХТТМ СО РАН Ирина Сергеевна Третьякова отмечает, что такое явление очень наглядно: “Если вы возьмете пачку листов и попробуете согнуть, увидите, как каждый лист немного съезжает. Примерно так же ведут себя и слоистые кристаллы”. Этот подход открывает возможности для моделирования гибкости на основе закономерностей внутреннего устройства.
Чтобы определить, что именно придает кристаллам их уникальные механические свойства, исследователи тщательно сравнили энергетические параметры обеих структур. Выяснилось, что гексабромбензол превосходит гексахлорбензол по общей энергии связей примерно в два раза. Тем не менее, просто значения этих характеристик не дали окончательного ответа на вопрос: при каком наборе параметров начинается проявление гибкости?
Двигаясь дальше, ученые решили провести комплексное сопоставление — обратить внимание не только на абсолютные показатели, но и на их соотношение. Особый интерес представляла энергия, необходимая для смещения одного слоя внутри кристалла по отношению к другому, то есть, энергия «скольжения». По словам Ирины Третьяковой: “Считается, что способность слоев сдвигаться является ключом к гибкости. Поэтому мы рассчитали этот параметр для каждого соединения”.
Результаты показали неожиданные и, в то же время, вдохновляющие данные. Если сравнивать не абсолютную энергию скольжения, а ее долю от общей энергии системы, то этот относительный процент оказался практически одинаковым для обоих веществ. Такой результат дает основание утверждать — именно этот параметр способен выступать универсальным маркером гибкости органических кристаллов. Независимо от «твердости» или прочности, относительная энергия сдвига слоев повторяется у разных соединений.
Анализируя итоговые данные, соавтор работы Денис Рычков поясняет: “Абсолютные значения энергии, по всей видимости, определяют, насколько легко или трудно конкретный кристалл подвергается деформации, но именно относительный показатель — наличие или отсутствие доли энергии скольжения — указывает на присутствие способности к гибкости”. Это позволяет прогнозировать свойства новых материалов и создавать кристаллы с заранее заданной прочностью и эластичностью.
Перспективы исследований для новых материалов
Работа исследователей делает большой вклад в понимание природы механических свойств органических кристаллов. Подобные знания открывают широкие возможности для разработки уникальных материалов для промышленности, электроники и медицины. Осознание того, что гибкость можно оценивать не только по абсолютной прочности, но и по тонким энергетическим параметрам, позволяет находить и конструировать материалы с необычными характеристиками для самых разных целей.
Задачи будущих исследований могут включать поиск новых соединений и синтез кристаллов с тонко регулируемой гибкостью. Это существенно расширит границы применимости органических материалов, сделает открытие гибких кристаллов более предсказуемым и управляемым процессом, а главным итогом станут инновационные решения для современных технологических вызовов. Научный поиск в этом направлении уже сейчас приносит практические результаты и задает позитивное направление развитию новых высокотехнологичных материалов.
Современные исследователи продолжают активно изучать свойства кристаллов с целью выявления новых факторов, отвечающих за их гибкость. Этот процесс требует не только глубоких теоретических знаний, но и инновационного подхода к виртуальным экспериментам. Как отмечает один из участников проекта Денис Рычков, некоторые параметры невозможно получить стандартными экспериментальными методами. Например, чрезвычайно сложно определить энергию взаимодействия между двумя конкретными молекулами или полностью проследить, как меняется структура кристалла при растяжении его в разных направлениях одновременно. Благодаря современным вычислительным технологиям ученым удается моделировать такие процессы с высокой точностью, создавая уникальные условия в виртуальной среде. Это позволяет не только прогнозировать поведение кристаллов, но и закладывать основы для создания новых материалов с заданными характеристиками.
Преимущества современных вычислительных методов для науки
Использование численных методов, по сути, становится аналогом экспериментальных исследований, открывая перед учеными невиданные ранее перспективы. Возможность виртуально проводить опыты с кристаллами позволяет гораздо глубже понять их внутренние механизмы и выявить те факторы, которые реальный эксперимент не всегда может обнаружить. Например, учёные могут заранее проанализировать, как конкретный кристалл поведет себя под многоосевым воздействием, а затем подтвердить свои выводы в лабораторных условиях. Это существенно ускоряет темпы исследований и способствует появлению на горизонте новых технологических решений.
В будущем подобные работы станут ещё более распространёнными благодаря развитию исследовательских центров и лабораторий, оснащённых современным оборудованием. Так, площадка ЦКП СКИФ открывает широкие возможности для верификации вычисленных данных и глубокого анализа деформаций в кристаллах на практике. Коллектив исследователей подчеркивает, что именно синергия между виртуальными расчетами и экспериментальными методами станет ключевым инструментом в поиске и создании новых материалов, обладающих уникальной гибкостью и устойчивостью к механическим воздействиям.
Вклад в развитие новых материалов
Исследование кристаллов и их уникальных свойств стало возможным в рамках реализации гранта РНФ № 23-73-10142. В рамках этого масштабного проекта вырабатываются новые подходы к определению и предсказанию характеристик органических материалов, способных выдерживать значительные механические деформации. Такие инновации, основанные на современных вычислительных методах, позволяют создать принципиально новые материалы для промышленности, электроники, медицины и других отраслей.
Благодаря усилиям ученых совершенствуются методы анализа и прогнозирования свойств сложных кристаллических структур. Это открывает перед человечеством новые горизонты в создании функциональных материалов будущего, а также способствует укреплению позиций отечественной науки на мировой арене. Команда исследователей продолжает вдохновлять своим подходом к решению сложнейших научных задач, демонстрируя большие перспективы для развития фундаментальной и прикладной науки.
Информация и иллюстрация предоставлены Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН.
Мы используем cookie для анализа трафика и удобства работы с сайтом. Вы можете разрешить или запретить обработку данных согласно Политике конфиденциальности.
