Ученые создали новый стандарт исследования гибких кристаллов для дизайна материалов нового поколения
Ученые Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») и Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) 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 [1].
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 Денис 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 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
