Группа исследователей из Нью-Йоркского университета в Абу-Даби обратила внимание, что природа часто добивается одновременно прочности и гибкости, сочетая жесткие неорганические компоненты с более мягкими функциональными материалами.
Ученые поставили задачу найти органические кристаллы, которые обладают механической прочностью и при этом сохраняют универсальные преимущества, которые дает органическая химия. Однако лишь немногие органические кристаллы, в том числе некоторые аминокислоты и пептиды, такие как α-глицин, γ-глицин, L-аланин и DL-серин, имеют высокие значения модуля Юнга (физическая величина, характеризующая способность материала сопротивляться растяжению или сжатию при упругой деформации).
Было принято решение изучить механическое поведение кристаллов муциновой (галактаровой) кислоты — это широко используемое в фармацевтической и пищевой промышленности химическое вещество с необычайно высокой для органики плотностью.
Ученые вырастили кристаллы муциновой кислоты, которые установили рекорд жесткости среди всех известных органических кристаллов. Их модуль Юнга достиг 50,25 ГПа. Для сравнения, этот показатель приближается к твердости чистого алюминия (70 ГПа) при значительно меньшем весе. Измерения проводились методом наноиндентирования: алмазный наконечник вдавливали в поверхность кристалла, демонстрируя его исключительную устойчивость.
Секрет прочности муциновой кислоты кроется в двух факторах. Во-первых, это ее аномально высокая плотность — 1,79 г/см³, что намного больше, чем у типичных кристаллов углеводов. Во-вторых, сложная и разветвленная трехмерная сеть водородных связей между молекулами. Эти связи действуют как прочный микроскопический каркас, равномерно распределяющий механическое напряжение по всему кристаллу и делающий его сверхупругим.
Открытие, опубликованное в журнале Chemical Science, имеет большое практическое значение. Оно доказывает, что органические кристаллы могут достигать механических свойств, сопоставимых с легкими металлами. Это открывает путь к созданию новых поколений материалов: сверхпрочных и при этом легких покрытий для микроэлектроники, а также более стабильных и надежных фармацевтических препаратов, где кристаллическая форма определяет срок годности и эффективность действующего вещества.
Ранее Наука Mail рассказала, что российские ученые создали простую модель для прогнозов химических реакций.
