В РАН изучили механизм получения аэрогелей для медицины и космоса
Химики из Института элементоорганических соединений имени Несмеянова РАН, Института органической химии имени Зелинского РАН и Института нефтехимического синтеза имени Топчиева РАН разобрались, как формируются силоксановые аэрогели.
Это легкие пористые материалы из атомов кремния и кислорода, которые на 95–99% состоят из воздуха. С их помощью врачи доставляют лекарства, а работники химической промышленности собирают опасные вещества и разделяют жидкости. Строители и инженеры авиакосмической отрасли применяют такие материалы, чтобы изолировать здания и корабли от тепла, звука и электричества. Российский научный фонд поддержал исследование грантом, а журнал Macromolecular Rapid Communications опубликовал результаты.
На производстве аэрогели получают золь-гель синтезом. Катализатор заставляет жидкость густеть и превращаться в золь с наночастицами, а потом твердеть и становиться гелем. Провести реакцию так, чтобы материал приобрел строго необходимые свойства, трудно, поэтому химики стремятся контролировать переходы между агрегатными состояниями.
Раньше ученые исследовали эти стадии по отдельности, а теперь проследили за всеми превращениями в одной реакционной смеси. Для этого они заморозили жидкие реагенты при -80 °C, изучили структуру и разморозили при комнатной температуре. Реакция запустилась снова. Ученые повторяли заморозку на разных этапах и увидели, как строится каркас.
Сначала молекулы реагентов взаимодействуют с водой. Катализатор помогает им соединиться в ветвящиеся цепочки. Затем они собираются в наночастицы размером от 5 до 10 нанометров — это примерно в 100 раз меньше клетки бактерии. Наночастицы вбирают в себя оставшиеся цепочки, растут и делают смесь вязкой. На последних этапах катализатор ускоряет связь между наночастицами, и они сплетаются в прочную трехмерную сеть. В конце смесь сушат особым образом, чтобы убрать растворители и сам катализатор. Так получается готовый аэрогель.
Кандидат химических наук и научный сотрудник лаборатории функциональных элементоорганических соединений ИНЭОС РАН Ирина Гончарова руководит этим проектом. Она пояснила, что новый подход поможет изучить и другие многофазные реакции. Теперь химики знают функции промежуточных соединений и смогут упростить производство. Они будут задавать аэрогелям нужную пористость и прочность. Для этого исследователи изменят температуру, количество воды, растворителя и катализатора на конкретных этапах. Дальше команда планирует сделать гибкие и стабильные аэрогели, которые отталкивают воду.
На обложке генерация Pro Космос
Самое популярное
