كريستال عضوي صلب يحطم الأرقام القياسية وينمو من حمض المخاط

اكتشف كيميائيو المواد أصعب بلورة عضوية معروفة، وشرحوا خصائصها الهائلة.

الصلابة هي قدرة المادة على مقاومة التشوه تحت تأثير قوة خارجية. يبدو أن المعادن أو السيراميك فقط هي التي يمكن أن تكون صلبة، وليس المواد العضوية. ومع ذلك، يمكن للروابط الهيدروجينية نقل الصلابة الفائقة حتى إلى البلورات العضوية الهشة.

أبحث عن الجوز صعبة للقضاء

في الطبيعة، غالبًا ما يتم الجمع بين القوة والمرونة من خلال الجمع بين المكونات غير العضوية الصلبة والمواد الوظيفية الناعمة. ويهدف العلماء إلى تكرار هذا المزيج الفائز من خلال توسيع نطاق البحث بما يتجاوز المواد التقليدية مثل البوليمرات إلى الجزيئات الصغيرة مثل البلورات العضوية.

هدفهم هو العثور على مواد متينة ولا تفقد المزايا الكامنة في المركبات العضوية. لكن بلورات عضوية ذات صلابة عالية للغاية نادرة للغاية. عدد قليل منها فقط، بما في ذلك بعض الأحماض الأمينية والببتيدات مثل α-glycine و γ-glycine و L-alanine و DL-serine، يحقق معامل يونغ العالي (مقياس للصلابة).

لا يزال حد صلابة البلورات العضوية لغزًا، على الرغم من إمكانية تصنيفها بالفعل كفئة جديدة من المواد الهندسية. في المستقبل، قد يكون لهذه المواد، التي تتكون من ذرات خفيفة مرتبة في شبكة بلورية، خواص ميكانيكية مماثلة للمعادن الخفيفة والسبائك.

إنشاء بلورات فائقة الصلابة

قرر الباحثون معرفة ما إذا كانت هناك جزيئات أخرى يمكنها التنافس في الصلابة مع البلورات العضوية المعروفة بالفعل. اختاروا الدراسة حمض الجالاكتريك (أيضًا الميوسينيك أو المخاط) – مادة تستخدم على نطاق واسع في الصناعات الدوائية والغذائية، وتتجاوز كثافتها (1.790 جم/سم3) بشكل كبير كثافة بلورات الكربوهيدرات النموذجية.

تم الحصول على بلورات عالية الجودة من حمض الميوسينيك من محلوله المائي عن طريق تبخيره في درجة حرارة الغرفة وتنقيته. تم قياس القوة الميكانيكية باستخدام الطريقة nanoindentation، يقود إبرة ماسية حادة إلى جوانب مختلفة من البلورة. تم فحص المطبوعات الناتجة باستخدام مجهر القوة الذرية.

ونشرت نتائج الدراسة في المجلة العلوم الكيميائية. تزامنت صلابة حمض المخاط مع تلك المحسوبة بواسطة نظرية الكثافة الوظيفية: على الوجه الأصعب، (100)، أظهرت البلورة معامل يونج قدره 50.25 جيجا باسكال، والذي كان أعلى قيمة لصلابة السطح تم قياسها على الإطلاق لبلورة عضوية بهذه الطريقة.

وهكذا، تجاوزت بلورات حمض الموسينيك البلورات العضوية الصلبة الأخرى المعروفة في الصلابة، وتقترب من تلك الموجودة في الألومنيوم النقي (~ 70 جيجا باسكال)، في حين أنها أخف بكثير.

ترجع الصلابة الاستثنائية إلى الكثافة العالية غير العادية والشبكة الكثيفة من الروابط الهيدروجينية، والتي تعمل كإطار مجهري يوزع الطاقة بالتساوي في جميع أنحاء البلورة.

ويأمل مؤلفو الدراسة أن تساعد النتائج في البحث عن بلورات عضوية أخرى شديدة الصلابة، والتي يمكن أن تصبح أساسًا لمواد قوية وخفيفة الوزن في المستحضرات الصيدلانية والهندسة.