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. 

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.
 
По словам Дениса Александровича, полученное соединение — это, скорее, модельная система. «Конкретно этот объект не имеет практической значимости, но потенциально человечеству хотелось бы иметь материалы, в том числе органические, которые выдерживают экстремальные условия. Открытие такого эффекта приближает нас к тому, чтобы проектировать новые классы веществ и органических материалов, которые могут эксплуатироваться при экстремально низких температурах. Это важный фундаментальный результат, благодаря которому в будущем появится возможность получать другие материалы не случайным образом, а целенаправленно. Мы выяснили, что у кристалла, который может гнуться на холоде, должна быть слоистая структура с чередованием сильных и слабых взаимодействий, которая к тому же не претерпевает значительных изменений при понижении температуры. В дальнейшем мы планируем сформулировать критерии не только качественные, но и количественные: какие связи должны образовываться, какие расстояния должны быть между слоями, для того чтобы точно можно было сказать, будет какое-либо соединение иметь такое свойство или нет», — отмечает Денис Рычков. 
 
В работе принимали участие доктор химических наук Елена Владимировна Болдырева, кандидат химических наук Евгений Александрович Лосев и кандидат химических наук Сергей Григорьевич Архипов, которые в настоящее время являются сотрудниками ФИЦ «Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН».
 
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ и НСО 18-43-543004 р_мол_а «Исследование анизотропии сжатия пластически деформирующихся кристаллов органических веществ на основе аминокислот». 
 
Мария Фёдорова 
 
Изображение предоставлено исследователями

Источники

Сибирские ученые создали гнущийся при низких температурах органический кристалл
Вести Якутии (vesti14.ru), 13/05/2020
Сибирские ученые создали органический кристалл, который не ломается при сверхнизких температурах
Seldon.News (news.myseldon.com), 13/05/2020
Сибирские ученые создали гнущийся при низких температурах органический кристалл
Наука в Сибири (sbras.info), 13/05/2020
Сибирские ученые создали органический кристалл, который не ломается при сверхнизких температурах
Интерфакс Россия, 13/05/2020
В Новосибирске создали органический кристалл, не ломающийся при сверхнизких температурах
The world news (theworldnews.net), 13/05/2020
В Новосибирске создали органический кристалл, не ломающийся при сверхнизких температурах
Дело (delo-kira.ru), 13/05/2020
В России создали гнущийся при низких температурах органический
Pcnews.ru, 13/05/2020
Сибирские ученые создали гнущийся при низких температурах органический кристалл
Популярная механика (popmech.ru), 13/05/2020
В России создали гнущийся при низких температурах органический
Seldon.News (news.myseldon.com), 13/05/2020
В России создан гнущийся при низких температурах органический кристалл
Рамблер/новости (news.rambler.ru), 13/05/2020
В России создан гнущийся при низких температурах органический кристалл
News-Life (news-life.pro), 13/05/2020
В России создали гнущийся при низких температурах органический
Discounte Center (sokol-online.ru), 13/05/2020
Сибирские ученые создали гнущийся в холоде органический кристалл
Sibnet.ru, 13/05/2020
В России создан гнущийся при низких температурах органический кристалл
Russia24.pro, 13/05/2020

Похожие новости

  • 11/03/2019

    Исследования новосибирских ученых попали на обложку международного кристаллографического журнала

    ​Публикация посвящена исследованию кристаллических структур двух соединений при варьировании температуры: молекулярной соли и смешанного кристалла в системе β-аланина и DL-винной кислоты, имеющих одинаковый стехиометрический состав 1:1, но различную кристаллическую структуру.
    986
  • 12/11/2019

    Новосибирские ученые разработали новый аналитический метод для характеристики катализаторов на пористых металл-органических каркасах

    ​Сотрудники лабораторий НГУ и Института катализа им. Г. К. Борескова представили результаты исследования аналитического метода катализа на металл-органических каркасах. Новый метод сочетает уже используемые методики с молекулами-зондами и твердотельную ядерную магнитно-резонансную спектроскопию.
    659
  • 08/12/2016

    Новосибирские химики производят уникальные композитные материалы для сжигания топлива

    ​Специалисты Новосибирского государственного университета и институтов СО РАН создают керамометаллические композитные матрицы на основе порошка алюминия, его оксида и сплавов. Эти уже успешно испытанные материалы обладают уникальными характеристиками, в частности, высокой теплопроводностью, и используются для структурированных катализаторов процессов сжигания и трансформации топлив.
    2970
  • 29/03/2016

    В ИХКГ СО РАН создали аппарат, который даст характеристику клеткам крови

    ​Ученые Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН создали самый точный в мире аппарат для анализа клеток крови, по результатам которого можно оценить, например, риск преждевременных родов.
    3083
  • 14/03/2019

    Как реализовать возможности российского рынка многокомпонентных материалов

    ​Недавняя новость о том, что из-за международных санкций российские авиастроители не смогут получать из США компоненты, необходимые для выпуска отечественного лайнера МС-21, вызвала бурное обсуждение, так или иначе связанное с проблемой преодоления зависимости от импорта.
    865
  • 06/12/2019

    Как импортозамещение влияет на состояние рынка

    ​Импортозамещение положительно влияет на состояние рынка. Министр промышленности, торговли и развития предпринимательства Новосибирской области Андрей Гончаров рассказал о региональной программе содействия импортозамещению в экономике.
    533
  • 31/10/2016

    Сибирские химики выращивают кристаллы счастья

    Поняв, как выращивать кристаллы солей серотонина - знаменитого гормона счастья, российские ученые выяснили, как лучше предсказывать формы других кристаллов, выращиваемых из растворов. Химикам из Сибирского отделения РАН удалось сделать важный шаг к пониманию того, по каким законам выстраиваются молекулы в кристаллах, выращенных из различных сред.
    1843
  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    740
  • 21/07/2017

    Новосибирские ученые нашли способ улучшить работу очистителей воздуха

    Ученые НГУ выиграли грант Российского научного фонда (РНФ). Разработка ученых поможет решить фундаментальные научные задачи, а также улучшить работу бытовых и профессиональных очистителей воздуха. Тема работы новосибирских ученых — «Фото- и терморазложение металлокомплексов как способ формирования наночастиц металлов и биметаллических структур на поверхности фотокаталитически активных материалов».
    1900
  • 29/04/2019

    Команда российских ученых выдвинула гипотезу о существовании жизни на Венере

    Ученые из Института космических исследований РАН, Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН и НГУ выдвинули гипотезу о существовании жизни на Венере. К таким выводам исследователей привела новая обработка панорамных изображений поверхности Венеры, полученных советскими аппаратами «Венера-9», «Венера-10», «Венера-13» и «Венера-14» в 1975—1982 годах.
    1349