Российские исследователи предложили новый метод изучения морфологии гибких кристаллов

Специалисты Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» и Института химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук предложили комплексный метод исследования морфологии гибких органических кристаллов. Данный метод сочетает вычислительные алгоритмы, лабораторные микроскопические методы и экспериментальные дифракционные исследования и может использоваться для более надежного определения геометрической формы кристаллов и расположения кристаллографических граней. Результаты опубликованы в журнале Journal of Applied Crystallography.

Гибкие кристаллы представляют собой относительно редкий класс органических кристаллов, способных изгибаться под действием малых механических напряжений с сохранением целостности кристаллической решетки. По словам исследователей, среди соединений с установленной кристаллической структурой доля обладающих такими свойствами составляет менее 0,01%. Особенности молекулярной упаковки таких материалов обеспечивают им одновременно устойчивость к разрушению и способность к изгибу под воздействием внешних напряжений, поэтому они считаются перспективными для создания сверхчувствительных датчиков, мягких роботов, лекарственных препаратов и других гибких и долговечных материалов, а также могут найти применение в электронике, оптике, материаловедении и фармацевтике.

Однако переход гибких кристаллов из лаборатории к технологическому применению по-прежнему сопряжен с фундаментальными трудностями. При проектировании таких материалов исследователям необходимо точно знать их трехмерную структуру, расположение кристаллографических граней и грани, по которым может происходить изгиб, иначе сложно прогнозировать способность кристаллов соединений к экстремальной деформации. Соответствующие измерения обычно требуют проведения рентгеноструктурного анализа с использованием лабораторных дифрактометров или синхротронных источников излучения.

Участвовавший в исследовании Денис Александрович Рычков отметил, что исследователям требуется большой объем выборочных данных для определения того, изгибается ли кристалл и по каким граням происходит изгиб. Только на этой основе можно построить прогностические модели и в дальнейшем проектировать новые кристаллы с заданными свойствами пластической или упругой деформации. Ранее из-за склонности гибких кристаллов к деформации и сложности их роста исследователи часто сталкивались с трудностями при точном определении кристаллографических граней на лабораторных дифрактометрах, а единая методика измерений в разных научных группах отсутствовала.

Предложенный комплексный метод основан на максимально полном сборе косвенных данных о морфологии кристалла, расположении граней и углах между ними. Научная группа объединила вычислительное прогнозирование формы кристаллов, высокоточное измерение межгранных углов с помощью оптической или сканирующей электронной микроскопии, анализ кристаллической структуры, а также методы установки и ориентирования монокристаллов, после чего определение морфологии завершается рентгеновской дифракционной визуализацией монокристалла.

Исследователи полагают, что данный метод может стать универсальным стандартом для изучения гибких кристаллов, позволяя постепенно перейти от качественных наблюдений и эмпирических оценок к предсказуемому и проектируемому пути разработки материалов. Полученные данные также могут быть включены в базы данных и служить качественным источником для обучения алгоритмов нейронных сетей.

Согласно планам, после запуска Сибирского кольцевого источника фотонов аналогичные исследования будут проводиться на экспериментальных станциях 1-2 «Структурная диагностика» и 1-1 «Микрофокус». Использование синхротронного излучения, как ожидается, повысит эффективность экспериментов, а вычислительные мощности центра обработки данных помогут исследователям анализировать более сложные кристаллические структуры, обработка которых в настоящее время ограничена вычислительными ресурсами. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда № 23-73-10142.