Почему кристаллическая лента не растёт прямо?

При виде скрученной кристаллической ленты можно подумать, что какая-то микроскопическая деталь уже была закручена. Исследование Wenhao Shao, Zhichen Nian, Yuan Lu и коллег, опубликованное в журнале Nature Synthesis, показывает другой путь: слоистые металлогалогенидные перовскиты — кристаллы из чередующихся органических компонентов и неорганического каркаса — образовали скрученные ленты и спирали из молекул, у которых самих по себе нет левой и правой формы.

Противоречие возникает при сборке. Органические сети, соединённые водородными связями — притяжением, помогающим удерживать соседние структурные единицы вместе, — ориентируются несовместимым образом на двух сторонах слоёв. Плоская полоска не может одновременно удовлетворить обе тенденции к деформации. Изгиб снимает часть накопленного упругого напряжения. Исследователи называют это геометрической фрустрацией: ограничения строения не дают всем частям одновременно принять предпочтительное плоское расположение.

Чтобы проверить объяснение, команда выращивала кристаллы в водном растворе и сравнивала скрученные ленты, спирали и плоские формы. Их изучали под микроскопом, а дифракцией — упорядоченным рассеянием излучения — выявляли повторяющееся расположение атомов. Моделирование молекулярной динамики, то есть расчёт движения и взаимодействий частей структуры, и механический анализ связали внутреннюю сеть с деформацией. Это вывод, подкреплённый наблюдениями и моделями, а не прямая съёмка того, как каждая связь тянет ленту.

Учёные также добавляли небольшое количество другого компонента — этот приём называют легированием — и меняли кинетику, или скорость роста. Согласно аннотации статьи, изменения позволили постепенно перейти от скрученных лент к спиралям и при контролируемых условиях получить преимущественно одно направление закручивания почти у всех лент. В материале Kat Yancey Gilmore для Института новых материалов Университета Джорджии описан один образец длиной около миллиметра с 86 оборотами. Это отдельный пример, а не среднее число оборотов для всей партии.

Форма хиральна: она не совмещается со своим зеркальным отражением, подобно левой и правой руке, хотя исходные молекулы таким свойством не обладали. Образцы, где преобладало одно направление закручивания, по-разному реагировали на свет с противоположной круговой поляризацией — свет, электрическое поле которого вращается в противоположных направлениях. Результат подтверждает лабораторный способ управлять формой и оптическим откликом через внутреннюю организацию. Он не доказывает готовность датчиков, дисплеев или промышленного производства; устойчивость отклика и преимущество в устройствах ещё нужно измерить.