Рекордно жесткий органический кристалл вырастили из слизевой кислоты
Химики-материаловеды нашли самый жесткий органический кристалл из известных — и объяснили его феноменальные свойства.
Жесткость — это способность материала сопротивляться деформации под действием внешней силы. Кажется, что жесткими могут быть только металлы или керамика, а никак не органика. Однако водородные связи способны придавать даже хрупким органическим кристаллам сверхжесткость.
В поисках «крепкого орешка»
В природе прочность и гибкость часто сочетаются благодаря комбинации жестких неорганических компонентов с мягкими функциональными материалами. Ученые стремятся воспроизвести эту удачную комбинацию, расширяя поиск за пределы традиционных материалов, таких как полимеры, в сторону малых молекул, например органических кристаллов.
Их цель — найти такие вещества, которые и прочные, и не утратили присущие органическим соединениям преимущества. Однако органические кристаллы с крайне высокой жесткостью встречаются крайне редко. Лишь немногие из них, включая некоторые аминокислоты и пептиды, такие как α-глицин, γ-глицин, L-аланин и DL-серин, достигают высоких значений модуля Юнга (мера жесткости).
Предел жесткости органических кристаллов до сих пор остается загадкой, хотя их уже можно выделить в новый класс инженерных материалов. В перспективе такие материалы, состоящие из легких атомов, упорядоченных в кристаллической решетке, могут обладать механическими свойствами, сравнимыми с легкими металлами и сплавами.
Создание сверхжестких кристаллов
Исследователи решили выяснить, существуют ли другие молекулы, способные конкурировать по жесткости с уже известными органическими кристаллами. Для изучения они выбрали галактаровую кислоту (она же муциновая, или слизевая) — вещество, широко используемое в фармацевтической и пищевой промышленности, чья плотность (1,790 г/см³) значительно превышает плотность типичных углеводных кристаллов.
Высококачественные кристаллы муциновой кислоты получили из ее водного раствора, испарив его при комнатной температуре, и очистили. Механическую прочность измерили методом наноиндентирования, вонзая острую алмазную иглу в различные грани кристалла. Образовавшиеся отпечатки исследовали с помощью атомно-силовой микроскопии.
Результаты исследования вышли в журнале Chemical Science. Жесткость слизевой кислоты совпала с рассчитанной по теории функционала плотности: на самой прочной грани — (100) — кристалл показал модуль Юнга 50,25 ГПа, что стало самым высоким значением поверхностной жесткости, когда-либо измеренной для органического кристалла этим методом.
Таким образом, кристаллы муциновой кислоты превзошли по жесткости другие известные жесткие органические кристаллы, приблизившись к показателям чистого алюминия (~70 ГПа), будучи при этом гораздо легче.
Исключительная жесткость объясняется необычно высокой плотностью и плотной сетью водородных связей, которые действуют как микроскопический каркас, равномерно распределяющий энергию по всему кристаллу.
Результаты помогут в поиске других сверхжестких органических кристаллов, которые могут стать основой для прочных и легких материалов в фармацевтике и инженерии, надеются авторы исследования.
