Пористый кристалл в форме пружины изменил геометрию под действием растворителя
Кристаллы принято считать жёсткими и предсказуемыми объектами с ровными гранями. Команда Университета Осаки под руководством профессора Ичиро Хисаки опровергла это представление: исследователи создали пористый органический кристалл, который вырастает в форме спиральной пружины и способен обратимо растягиваться и сжиматься — в зависимости от того, входят в его поры молекулы растворителя или выходят из них. Работа опубликована в журнале Angewandte Chemie International Edition.
Гибкие пористые кристаллы известны в науке, но в большинстве случаев они существуют только в виде крошечных кристаллов, пучков или агрегатов. Из-за этого было сложно понять связь между внутренней молекулярной укладкой и внешней формой. Команда Хисаки впервые получила спиральные пористые органические кристаллы в размерах, достаточных для детального структурного анализа.
Как возникает спираль
В основе материала — органические молекулы на основе пирена. Исследователи обнаружили, что условия кристаллизации принципиально определяют итоговую форму:
- при температуре 60°C образуются прямые игольчатые кристаллы;
- при 120°C, когда растворитель испаряется быстрее, — спиральные кристаллы.
Рентгеновские измерения показали, что обе формы имеют практически одинаковую пористую внутреннюю структуру. Исследователи предполагают, что при быстром росте кристалла в молекулярную укладку «замораживаются» небольшие неоднородности, провоцирующие неравномерный рост и закручивание. Однако авторы оговариваются: прямые наблюдения в процессе кристаллизации ещё не проводились, а роль эффектов растворителя и конвекции в растворе пока не исключена.
«Эта находка выросла из тщательных наблюдений Юдзуки Мураты, аспиранта моей лаборатории. Она перевернула наше допущение о том, что кристаллы должны быть жёсткими и прямыми», — говорит Хисаки.
Свойства и реакция на среду
Спиральные кристаллы обладают удельной площадью поверхности 1185 м²/г, что отражает их высокую пористость. Термостабильность превышает 300°C.
При извлечении молекул растворителя из пор спираль слегка распрямляется и удлиняется. При повторном введении растворителя — слегка сжимается, возвращаясь к исходной геометрии. Это обратимое изменение формы происходит без разрушения кристаллической структуры.
Практические применения, которые рассматривают авторы:
- микроразмерные актуаторы, движущиеся в ответ на химическую среду (например, для «умных» систем доставки молекул);
- материалы, способные упорядочивать молекулы и ионы вдоль спиральных путей — что открывает возможности для хиральной сепарации и катализа;
- датчики, фиксирующие присутствие определённых химических веществ по изменению формы кристалла.
Что отличает этот материал
Новый материал объединяет пористую структуру и изменение формы спиральных микрокристаллов при удалении и возвращении растворителя. Практическое использование этого сочетания свойств пока остаётся перспективой дальнейших исследований.
Читайте также по теме: другом исследовании по теме.
Это делает его потенциальным кандидатом для разработки следующего поколения «мягких» функциональных материалов — на стыке химии, материаловедения и механики.
