Создан стандарт исследования гибких кристаллов для дизайна материалов
Специалисты ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН предложили комплексную методику исследования морфологии редкого класса органических кристаллов, перспективных для создания гибких и долговечных материалов для сверхчувствительных сенсоров, мягкой робототехники и фармацевтических средств. Методология включает последовательное использование расчетных алгоритмов, лабораторных методов микроскопии и экспериментальных дифракционных исследований. Разработанный подход может стать универсальным стандартом исследования подобных объектов, что позволит перейти от качественных наблюдений и эмпирического перебора структур к рациональному предсказательному дизайну — это ускорит внедрение гибких кристаллических материалов в высокотехнологичные отрасли. Исследование опубликовано в Journal of Applied Crystallography.
Гибкие кристаллы — редкий класс органических кристаллов, способных изгибаться и деформироваться при малейшем механическом воздействии, сохраняя при этом целостность своей кристаллической решетки. Эта способность свойственна менее чем для 0,01 % от всех известных соединений, для которых были определены кристаллические структуры, и опровергает традиционное представление о том, что все органические кристаллы по своей природе хрупкие. Уникальное расположение молекул обеспечивает устойчивость к разрушению при внешнем воздействии и способность к изгибу. Сочетание гибкости, адаптивности и прочности делают такие соединения перспективной основой для создания материалов с заданными свойствами для применения в электронике, оптике, материаловедении и фармацевтике.
Несмотря на то, что в лабораторных экспериментах гибкие кристаллы демонстрируют большой потенциал, массово они пока не используются в технике, так как при проектировании подобных материалов ученые сталкиваются с проблемой: заранее предсказать возможность экстремальной деформации кристаллов интересующего соединения на сегодняшний день невозможно. Для этого необходимо знать его трехмерную структуру и точное расположение граней кристалла, чтобы в расчетах не перебирать все возможные варианты изгиба. Единственный способ провести такие измерения — рентгеноструктурный анализ на лабораторном дифрактометре или на источнике синхротронного излучения.
«Нам нужна выборка из многих систем, где точно известно, гнется кристалл или нет, и если гнется — то по каким граням. Только собрав такие данные, мы сможем построить предсказательную модель и на ее основе проектировать новые кристаллы с нужными свойствами — пластической или упругой деформацией. Но при проведении экспериментов на лабораторном дифрактометре мы столкнулись с тем, что точно определить грани кристалла проблематично из-за его склонности к деформации и особенностей роста. Проанализировав литературу, мы выяснили, что с той же проблемой сталкиваются все мировые научные группы, которые исследуют подобные объекты. Кроме того, мы провели независимый эксперимент, попросив три российских коллектива описать геометрию разных видов гибких кристаллов, и все исследователи получили неполные или некорректные данные без полноценного погружения в эту тему. Мы столкнулись с отсутствием унифицированной методологии измерения огранки гибких кристаллов. В этой работе мы разработали и описали общий подход для достоверного определения геометрии кристаллов, что позволит в перспективе создать надежную предсказательную модель и программировать свойства новых материалов еще на этапе синтеза материалов», — рассказал старший научный сотрудник ЦКП СКИФ и ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Денис Александрович Рычков.
По словам ученого, появление такой методологии сделает исследование гибких кристаллов доступным научным группам всего мира, это значит, что исследователи начнут достоверно определять огранку этих объектов и заносить их в соответствующие базы данных, что станет в том числе источником качественных данных для обучения нейросетевых алгоритмов.
«Методология основана на комплексном подходе – комбинировании расчетных, лабораторных и экспериментальных методов. Он объединяет расчетное прогнозирование морфологии кристалла, высокоточное измерение межгранных углов методами оптической микроскопии или сканирующей электронной микроскопии, анализ кристаллической структуры и рентгеноструктурную съемку монокристаллов с использованием оригинальной методики их крепления и ориентации на держателе», — комментирует младший научный сотрудник ЦКП СКИФ и ИХТТМ СО РАН Александр Сергеевич Дубок.
Основная идея комбинированного подхода заключается в том, чтобы собрать как можно больше косвенных данных о морфологии кристалла, расположении граней и значении углов между ними разными доступными методами. Результаты этих исследований становятся своего рода опорными точками, которые помогают получить качественные данные и грамотно их применить в ходе итогового эксперимента по определению морфологии на монокристальном лабораторном дифрактометре или дифрактометре станции синхротронного излучения.
После запуска СКИФ подобные исследования планируется проводить на экспериментальных станциях 1-2 «Структурная диагностика» и 1-1 «Микрофокус». Использование синхротронного излучения существенно ускорит проведение подобных экспериментов, а вычислительные возможности Центра обработки данных позволят анализировать кристаллы с более сложной структурой, изучение которых сейчас недоступно ученым из-за ограничения вычислительных мощностей.
Исследование поддержано грантом РНФ 23-73-10142 .
Источник: Пресс –служба СО РАН («Наука в Сибири»)