Новости химической науки > Молекулярные квазикристаллы – миф или возможность?

С помощью компьютерного моделирования впервые удалось установить, что органические молекулы способны самособираться в квазикристаллы, что в перспективе позволит разработать новые материалы с экзотическими свойствами.

Имитируя знаменитые математические узоры, известные как мозаика Пенроуза, Дмитрий Лайков (Dimitri Laikov) из Московского государственного университета, разработал два комплементарных молекулярных элемента мозаики и провел компьютерное моделирование их супрамолекулярных взаимодействий. Компьютерная модель самосборки таких систем демонстрирует, что для нее характерна асимметрия и пятилучевая симметрия, характерная для квазикристаллов – супрамолекулярный комплекс с таким строением и такими свойствами моделируется впервые.

Смоделированный Лайковым квазикристаллический комплекс (слева) весьма похож на апериодическую мозаику Роджера Пенроуза (справа). (Рисунок из RSC Adv., 2014, 4, 17925; DOI: 10.1039/c4ra01354a)

Квазикристаллы были впервые открыты в 1980-х годах, однако прошло немалое время до признания возможности существования таких структур – многим казалось, что они существенно нарушают обычные правила кристаллографии. В отличие от обычных кристаллов, обладавших трансляционной симметрией и осями вращения второго, третьего, четвертого или шестого порядка, в квазикристаллах проявляется пяти- или десятилучевая симметрия, и не наблюдается симметрии трансляционной.

К настоящему времени уже обнаружены сотни материалов, формирующих квазикристаллические фазы, однако в отличие от обычных кристаллов, которые могут быть образованы любым веществом от соли до белка, практически все известные квазикристаллы представляют собой трехкомпонентные металлические сплавы, как, например, икозохедрит – Al₆₃Cu₂₄Fe₁₃. Это обстоятельство позволяет предположить, что существует гораздо большее количество еще не открытых квазикристаллов, образуемых более сложными веществами.

Лайков разработал два компонента, имитирующие толстые и тонкие «ромбы», комбинация которых дает мозаику Пенроуза, моделируя такие соединения он разместил в их структуре группы, способные образовывать водородные связи, таким образом, чтобы в результате их взаимодействия формировался квазикристалл. По словам самого Лайкова, подбор пары молекул, удовлетворяющих всем условиям, необходимым для формирования квазикристаллической фазы, представлял собой отнюдь не тривиальное задание.

Молекулы 1 (слева) и 2 (справа) комбинируются с образованием квазикристаллического комплекса. (Рисунок из RSC Adv., 2014, 4, 17925; DOI: 10.1039/c4ra01354a)

Рассуждая о возможности практического применения результатов исследования, Лайков отмечает, что молекулярные квазикристаллы могут обладать уникальными свойствами, поскольку их иерархическая структура вполне в состоянии обеспечить материалу необычные оптические, механические, электромеханические и термические характеристики. Он добавляет, что, даже если случится так, что если такие материалы и нельзя будет использовать непосредственно, их эстетика мотивирует новые поколения химиков на создание еще более интересных по строению и свойствам молекулярных материалов.

Оценивая работу Лайкова, Георг Шрекенбах (Georg Schreckenbach) из Университета Манитобы (Канада) заявляет, что результаты компьютерного моделирования, проделанного Лайковым, лишний раз демонстрируют кардинальный прогресс в компьютерной химии, добавляя, что предсказание новых молекул, в особенности – тех, которые демонстрируют необычный способ межмолекулярных взаимодействий, всегда считалось «Святым Граалем» компьютерной химии.

В планах Лайкова синтез смоделированных им молекул и эмпирическая проверка возможности образования квазикристаллических структур.

Источник: RSC Adv., 2014, 4, 17925; DOI: 10.1039/c4ra01354a

метки статьи: #квантовая химия, #кристаллохимия