تساعد الطاقة المنزلقة على التمييز بدقة أكبر بين البلورات العضوية المرنة والبلورات الهشة

يعتقد معظم الناس أن البلورات شيء صلب وهش للغاية. ومع ذلك، هناك بلورات عضوية مرنة يمكن ثنيها مثل البلاستيك الناعم أو المطاط. وتعد مثل هذه المواد واعدة كأساس لشاشات العرض المرنة، وأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء، والروبوتات “الناعمة”. على الرغم من أن البلورات المرنة الكتلة لم تستخدم بعد في التكنولوجيا، إلا أن التجارب المعملية تثبت إمكاناتها الكبيرة. ومع ذلك، عند تصميم مثل هذه المواد، يواجه العلماء مشكلة: من الصعب التنبؤ مسبقًا بما إذا كانت البلورة سوف تنحني أم لا. عادةً ما يحاولون حساب المرونة بناءً على بنية المادة. وهكذا، كان من المفترض أن البلورة سوف تنحني إذا تنبأت النمذجة الحاسوبية بأنها ستمتلك بنية متعددة الطبقات، حيث تكون الجزيئات الموجودة داخل كل طبقة مرتبطة بإحكام وبين الطبقات بشكل ضعيف. كان يُعتقد أن هذه الميزة تسمح للطبقات بالانزلاق بسهولة ضد بعضها البعض وتوفير المرونة. ومع ذلك، فقد تبين أن هذا المبدأ ليس عالميًا: فقد قام الكيميائيون بإنشاء بلورات هشة ذات بنية طبقية مثالية وبلورات مرنة، على العكس من ذلك، لم يكن لها طبقات واضحة. وجد باحثون من معهد كيمياء الحالة الصلبة والكيمياء الميكانيكية التابع لفرع سيبيريا التابع لأكاديمية العلوم الروسية (نوفوسيبيرسك) أنه عند تقييم مرونة البلورة، من المهم أن نأخذ في الاعتبار معلمة أخرى – ما يسمى بالطاقة المنزلقة للطبقات الجزيئية. وتم نشر نتائج الدراسة، المدعومة بمنحة من مؤسسة العلوم الروسية (RSF)، في مجلة Crystal Growth & Design. خريطة الطاقة المنزلقة لشكل ألفا المرن من بيرازيناميد / © Denis Rychkov / ICHTM SB RAS قام العلماء بالتحقيق في الاختلافات بين بلورات بيرازيناميد المرنة والهشة. اختار المؤلفون هذا المركب لأنه موجود في شكلين لهما خصائص فيزيائية مختلفة جدًا. لذلك، على الرغم من نفس التركيب الكيميائي، فإن شكل ألفا لديه مرونة عالية، وشكل دلتا هش للغاية. وبما أن البيرازيناميد يستخدم على نطاق واسع كدواء مضاد للسل، فمن المهم معرفة خصائص بنيته البلورية. إن مرونة أو هشاشة البلورات هي التي تؤثر بشكل مباشر على سلوك كتلة المسحوق أثناء الضغط، ونتيجة لذلك، راحة تشكيل الأقراص من شكل الجرعة النهائي. “لفهم كيف يحدد هيكل البلورات قدرتها على الانحناء بشكل لدن، أجرينا عمليات محاكاة وتجارب حاسوبية على بلورات مختبرية من شكلين من البيرازيناميد. هذا جعل من الممكن أن نظهر لأول مرة أن الدور الرئيسي هنا يلعبه حاجز الطاقة للطبقة المنزلقة – وبعبارة أخرى، مقدار الطاقة المطلوبة لإجبار طبقات البلورة على التحرك بالنسبة لبعضها البعض وتوفير الانحناء. هذه المعلمة هي التي تحدد إلى حد كبير ما إذا كانت البلورة سوف تنحني، مثل البلاستيسين، أو ستبدأ يقول منفذ المشروع، المدعوم بمنحة من مؤسسة العلوم الروسية، ألكسندر دوبوك، وهو طالب دراسات عليا في جامعة NSU وباحث مبتدئ في معهد كيمياء الحالة الصلبة والكيمياء الميكانيكية التابع لـ SB RAS: “تنهار أثناء التشوه، مثل معظم البلورات المعروفة”. صورة مجهرية بصرية لبلورات منحنية على شكل ألفا من بيرازيناميد / © Denis Rychkov / ICHTM SB RAS اتضح أن هذه الطاقة المنزلقة، إلى جانب الخصائص الأخرى (المعروفة سابقًا) للطبقات، هي التي يجب أن تؤخذ في الاعتبار من أجل التنبؤ بدقة بما إذا كانت المادة ستكون مرنة أم هشة. وهكذا، فإن كلا الشكلين المدروسين من البيرازيناميد كان لهما بنية ذات طبقات، وللوهلة الأولى، اتصالات متطابقة تمامًا بين الطبقات. ومع ذلك، كانت الطاقة المنزلقة للطبقات فيها مختلفة. بالنسبة لأشكال ألفا المرنة كان أقل بعدة مرات من أشكال الدلتا الهشة من البلورات. “إن حساب الطاقة المنزلقة للطبقات البلورية أمر بسيط للغاية – ويمكن القيام بذلك باستخدام أساليب النمذجة الحاسوبية الحديثة. وفي الوقت نفسه، فإن تقييم هذه المعلمة سيجعل من الممكن التنبؤ بشكل أكثر دقة بخصائص المواد الجديدة التي طورها العلماء للإلكترونيات المرنة والضوئيات والروبوتات اللينة والطب. يقول رئيس المشروع، الذي تدعمه منحة من الوكالة الروسية: “في المستقبل، نخطط لجمع قاعدة بيانات للبلورات البلاستيكية من أجل تحديد خصائص كمية دقيقة وإنشاء نموذج عالمي لثني البلورات العضوية”. مؤسسة العلوم، دينيس ريتشكوف، مرشح العلوم الكيميائية، باحث أول في معهد كيمياء الحالة الصلبة والكيمياء الميكانيكية التابع لـ SB RAS. أعضاء فريق البحث أثناء العمل / © Yulia Pozdnyakova / ICHTM SB RAS في السابق، وجد العلماء طريقة للتنبؤ بدقة بخصائص المواد متعددة الأشكال – المواد التي يمكن أن توجد في عدة أشكال بلورية. ويحدد الشكل البلوري الخواص الفيزيائية للمركب، وخاصة قابليته للذوبان والثبات، والتي تؤثر بدورها على فعالية الأدوية.