Российские химики изучили особенности строения ионогелей
Команда московских и петербургских ученых провела масштабное исследование, впервые изучив структуру ионогелей — новых органо-неорганических композитных материалов на основе ионных жидкостей, перспективных для широкого круга применений. В работе участвовали исследователи из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова (ИОНХ) РАН, Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова и Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова, Объединенного института ядерных исследований, МГУ и НИУ ВШЭ.
Ионные жидкости — необычные вещества, представляющие собой соли, находящиеся при комнатной температуре в жидком состоянии. Благодаря несимметричной структуре и большим размерам входящих в их состав ионов ионные жидкости обладают уникальными свойствами. Они способны оставаться в жидком состоянии при очень низких температурах, практически нелетучи, обладают высокой ионной проводимостью, являются прекрасными растворителями и экстрагентами для ценных органических соединений и ионов металлов.
Для удобства использования ионные жидкости смешивают с адсорбентами, например силикагелем (диоксидом кремния). Такие композиты, получившие название ионогели, сочетают в себе уникальные свойства ионных жидкостей и преимущества твердофазных материалов, что позволяет создавать на их основе высокотехнологичные устройства и материалы — датчики на сжатие и изгиб, «умные» катализаторы, сорбенты и экстрагенты, системы адресной доставки лекарств и многое другое.
Авторы исследования сфокусировались на определении структуры ионогелей на основе одной из самых известных ионных жидкостей, тетрафторбората 1-октил-3-метилимидазолия, и коммерчески доступного ультрадисперсного диоксида кремния.
«Из литературы известно, что для ионогелей характерно проявление так называемого эффекта конфайнмента — ионная жидкость, находящаяся вблизи поверхности твердого сорбента, ведет себя совершенно не так, как в свободном состоянии. Например, проводимость жидкости вблизи поверхности и в объеме может отличаться на порядок, что связано с искажением ее структуры. Мы решили проанализировать структуру ионогелей с различным «вкладом» от эффекта конфайнмента, и для этого использовали очень простой метод — смешали ионную жидкость с ультрадисперсным оксидом кремния в разных соотношениях», — рассказал один из руководителей работы, член-корреспондент РАН Владимир Иванов.
Для анализа полученных ионогелей ученые использовали комплекс современных методов, таких как спектроскопия ядерного магнитного резонанса, инфракрасная спектроскопия, термический анализ и другие. Наиболее информативным оказался метод малоуглового рассеяния рентгеновского излучения. Оказалось, что вблизи поверхности твердых частиц структура ионной жидкости резко меняется — расстояние между анионами и неполярными фрагментами ее катионов увеличивается примерно на 20%.
По словам ученых, полученные результаты важны не только с фундаментальной, но и с практической точки зрения, поскольку создание новых функциональных материалов на основе ионогелей (например, электролитов для аккумуляторов) требует понимания механизмов взаимодействия ионных жидкостей с твердыми носителями различной химической природы.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ. Активное участие в исследовании приняли сотрудники и аспиранты молодежных лабораторий ИОНХ РАН, созданных в рамках национального проекта «Наука и университеты».