Ученые выяснили, как создаются самые легкие материалы, на 99% состоящие из воздуха, — силоксановые аэрогели, которые используются в устройствах для сбора опасных химических веществ, в системах доставки лекарств и в качестве теплоизоляторов на космических кораблях и в строительных материалах. Исследователи описали механизм этого сложного многоступенчатого процесса — золь-гель синтеза. Знание о нем упростит производство новых материалов с улучшенными характеристиками для медицины, авиакосмической отрасли и химической промышленности. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Macromolecular Rapid Communications.
Силоксановые аэрогели — это очень легкие и пористые материалы, которые содержат атомы кремния и кислорода и на 95–99% состоят из воздуха. Они используются в системах доставки лекарств, для тепло-, звуко- и электроизоляции в авиакосмической и строительной отраслях, а также в качестве основы для материалов-поглотителей вредных газов и разделения жидкостей.
Обычно такие материалы получают методом золь-гель синтеза. Это процесс, при котором под действием катализатора («ускорителя» реакции) жидкость сначала превращается в густой раствор с наночастицами — золь, — а затем в твердый гель. Однако провести реакцию так, чтобы получить материал со строго необходимыми свойствами, сложно. Поэтому ученые пытаются понять, как происходят переходы между разными состояниями вещества, чтобы направлять процесс в нужное русло.
Ученые из Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН (Москва), Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН (Москва) и Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН (Москва) впервые исследовали механизм таких процессов с фазовыми переходами (переходами из жидкого в золь и затем в твердое состояние — гель) в рамках одной и той же реакционной смеси. В более ранних работах изучались только отдельные стадии этого процесса.
Авторы сделали это, временно заморозив жидкую смесь реагентов, из которых формируется гель, при температуре –80°C. В таком «застывшем» состоянии химики оценили структуру образца. После этого его разморозили, в результате чего при комнатной температуре запустился процесс превращения жидкости в золь, а затем в гель. Заморозку и разморозку ученые повторили на разных временных промежутках золь-гель процесса. Это позволило поэтапно изучить, как формируется будущий каркас аэрогеля.
Исследователи выяснили: сначала малые молекулы реагентов взаимодействовали с водой под действием катализатора и объединялись в небольшие ветвящиеся цепочки. Затем такие цепочки собирались в наночастицы размером до пяти-десяти нанометров (примерно в сто раз меньше клеток бактерий). «Поглощая» из раствора оставшиеся небольшие цепочки, эти наночастицы росли и уплотнялись, делая смесь все более вязкой.
На последних этапах образования геля наночастицы связались между собой и сформировали прочную трехмерную сеть. С помощью специальной сушки авторы убрали из полученного геля растворители и катализатор, тем самым получив легкий пористый материал — аэрогель.
Ученые подчеркивают, что важную роль в описанном процессе играет катализатор. Сначала он помогает сшивать молекулы в цепочки и наночастицы, а затем ускоряет образование прочных связей между наночастицами, создающими каркас аэрогеля.
«Предложенный подход можно использовать для изучения других сложных и многофазных процессов. Понимая роль промежуточных соединений на каждой стадии этой реакции, мы сможем создавать аэрогели с заранее заданными свойствами, в частности, пористостью и прочностью. Этого можно добиться, например, меняя количество катализатора, воды и растворителя, а также температуру проведения реакции на определенном этапе. В дальнейшем мы планируем применить эти знания для получения отталкивающих воду и гибких стабильных аэрогелей», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ирина Гончарова, кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории функциональных элементоорганических соединений ИНЭОС РАН.
***
Больше результатов исследований грантополучателей Российского научного фонда и актуальных новостей из мира науки доступны в социальных сетях РНФ Вконтакте и Телеграм. Подписывайтесь на канал РНФ в национальном мессенджере MAX.