Кристаллы муциновой кислоты, выращенные из водного раствора, достигли рекордной для органических кристаллов жесткости.

Жесткость часто описывается как мера сопротивления деформации материала под воздействием внешней силы. Когда мы думаем о жестком материале, обычно на ум приходят металлы или керамика, а не кристаллы или органические молекулы, такие как сахар или лимонная кислота.

Водородные связи способны сделать даже известные своей хрупкостью и твердостью органические кристаллы сверхжесткими.

Международная группа исследователей, проткнув кристаллы муциновой кислоты алмазным наконечником, обнаружила, что их необычайно высокая плотность, наряду со сложной и обширной сетью водородных связей, придает кристаллам муциновой кислоты исключительную жесткость с модулем Юнга 50,25. Выявление органических кристаллов такой жесткости может открыть новые возможности для передовой электроники и более эффективных фармацевтических препаратов.

Природа часто достигает одновременно прочности и гибкости, сочетая жесткие неорганические компоненты с более мягкими функциональными материалами. Сейчас учёные стремятся найти именно такое удачное сочетание, но их поиски вышли за рамки традиционных материалов, таких как полимеры, и охватили малые молекулы, например, органические кристаллы.

Цель этого исследования — выявить органические кристаллы, обеспечивающие механическую прочность при сохранении многогранных преимуществ органической химии. Однако органические кристаллы с очень высокой жесткостью встречаются крайне редко. Лишь небольшое количество органических кристаллов, включая некоторые аминокислоты и пептиды, такие как α-глицин, γ-глицин, L-аланин и DL-серин, достигают высоких значений модуля Юнга.

Насколько ещё могут увеличиться жёсткость органических кристаллов, до сих пор остаётся загадкой, несмотря на их появление в качестве нового класса конструкционных материалов. При доведении до предела эти материалы, состоящие из лёгких атомов, расположенных в упорядоченных структурах, в конечном итоге могут обладать механическими свойствами, сравнимыми со свойствами лёгких металлов и сплавов.

Создание сверхжестких кристаллов

Исследователи хотели выяснить, существуют ли другие молекулы, способные конкурировать по жесткости с уже описанными органическими кристаллами. Они решили изучить механические свойства кристаллов муциновой кислоты — также известной как галактаровая кислота — широко используемого химического вещества в фармацевтической и пищевой промышленности, обладающего необычно высокой плотностью 1,790 г/см³, значительно превышающей плотность типичных кристаллов углеводов.

Команда решила вырастить собственные высококачественные кристаллы муциновой кислоты, позволив водному раствору кислоты испариться при комнатной температуре. После извлечения и очистки физическую прочность измеряли с помощью наноиндентирования, которое заключалось в вдавливании крошечного острого алмазного наконечника в различные грани кристалла. Вмятины, оставленные при вдавливании, были исследованы с помощью атомно-силовой микроскопии.

Внутренняя жесткость муциновой кислоты в идеальной среде была рассчитана с использованием теории функционала плотности, и результаты совпали с экспериментальными измерениями: на своей самой прочной стороне — кристаллической грани (100) — муциновая кислота достигла жесткости 50,25 ГПа, что является самой высокой жесткостью поверхности, когда-либо зарегистрированной для органического кристалла с использованием этого метода.

Он превзошел другие известные своей жесткостью органические кристаллы, а его жесткость приблизилась к жесткости чистого алюминия (~70 ГПа), несмотря на то, что он был намного легче, что подчеркивает его исключительную механическую прочность.

Исключительная жесткость кристалла обусловлена ​​его необычайно высокой плотностью и плотно упакованной сетью водородных связей. Эти связи действуют как микроскопический каркас, равномерно распределяющий энергию по всему кристаллу.

Исследователи отмечают, что эти результаты могут помочь выявить другие исключительно жесткие органические кристаллы, которые могли бы служить прочными и лёгкими материалами для фармацевтической и инженерной промышленности.

Контакты, администрация и авторы