Управление полиморфами глицина: наноограничение и пьезоэлектрическая β-фаза

Как получить пьезоэлектрический глицин без примесей? Исследователи из Университета Бристоля нашли способ управлять кристаллизацией простейшей аминокислоты с помощью электрического поля и наноограничения. В работе, опубликованной в Physical Review Letters, они показали, что изменяя диаметр капилляра при электростатическом распылении, можно получать либо стабильную α-фазу, либо метастабильную β-фазу, обладающую пьезоэлектрическими свойствами. Это открытие упрощает создание биосовместимых пьезоэлектрических материалов для датчиков и имплантатов.

Электростатическое распыление под контролем

Метод, разработанный группой профессора Адама Скуайрса, основан на электростатическом распылении (electrospray). Раствор глицина в воде подается через капилляр, на который подается высокое напряжение. Под действием электрического поля на конце капилляра образуется конус Тейлора, из которого вылетают заряженные капли. По мере испарения растворителя капли уменьшаются, и в них начинается кристаллизация. Ключевой параметр — диаметр капилляра: при использовании капилляров диаметром 50 мкм и более кристаллизуется α-фаза, а при диаметре 10 мкм и менее — β-фаза.

Почему размер капли так важен для кристаллизации глицина?

Исследователи объясняют эффект наноограничения тем, что в маленьких каплях (диаметром порядка микрометров) поверхностное натяжение и взаимодействие с границей раздела фаз играют доминирующую роль. Когда капля становится достаточно малой, энергия поверхности начинает влиять на то, какая кристаллическая решетка формируется. В случае глицина β-фаза имеет более низкую поверхностную энергию по сравнению с α-фазой, поэтому в наноограниченных каплях она становится термодинамически выгодной. Электрическое поле дополнительно стабилизирует β-фазу, ориентируя молекулы глицина.

Предыстория и контекст

Глицин — одна из 20 протеиногенных аминокислот, и его кристаллические формы изучаются уже несколько десятилетий. Известно шесть полиморфов глицина, из которых α-фаза наиболее стабильна в обычных условиях, а β-фаза — метастабильна, но обладает пьезоэлектрическими свойствами, то есть способна генерировать электрический заряд при механической деформации. Ранее получение β-фазы требовало специальных условий, например, добавления примесей или быстрого охлаждения, и было трудно контролируемым. Новый метод предлагает простой и воспроизводимый способ получения β-фазы без использования химических добавок.

Технические детали эксперимента

В экспериментах использовался раствор глицина концентрацией 0,5 М в воде. Капилляры изготавливались из кварцевого стекла с внутренним диаметром от 5 до 100 мкм. Напряжение на капилляре составляло от 3 до 5 кВ, расстояние до коллектора — 10 см. Кристаллы собирались на кремниевую подложку и анализировались с помощью рентгеновской дифракции и сканирующей электронной микроскопии. Результаты показали, что при диаметре капилляра менее 20 мкм выход β-фазы составляет более 90%, тогда как при диаметре более 50 мкм преобладает α-фаза. Промежуточные диаметры давали смесь фаз.

Кого затронет и как

Это открытие имеет прямое значение для разработки биосовместимых пьезоэлектрических материалов. Глицин — безопасное и дешевое вещество, которое может использоваться в медицинских имплантатах, датчиках давления, генераторах энергии для носимой электроники. Например, пьезоэлектрические пленки из β-глицина могут быть использованы для создания гибких ультразвуковых датчиков или устройств для сбора энергии от движений тела. Российские исследователи в области материаловедения также могут заинтересоваться этим методом, так как он не требует сложного оборудования и может быть масштабирован.

Что будет дальше

Следующим шагом команда планирует изучить возможность получения других метастабильных полиморфов глицина, а также применить метод к другим аминокислотам и биомолекулам. Кроме того, ведутся работы по интеграции β-глицина в гибкие электронные устройства. Ожидается, что первые прототипы могут появиться в течение двух-трех лет.

Итог

Работа демонстрирует, что наноограничение в сочетании с электрическим полем может быть мощным инструментом для управления кристаллизацией органических соединений. Это приближает нас к созданию недорогих и экологичных пьезоэлектрических материалов на основе аминокислот, которые могут найти применение в биомедицине и гибкой электронике.