Ученые впервые в деталях раскрыли процесс изготовления силоксановых аэрогелей — сверхлегких материалов, состоящих на 99% из воздуха. Эти уникальные соединения используются в медицине для доставки лекарств, в системах захвата опасных химикатов и как высокоэффективные теплоизоляторы в аэрокосмической индустрии и строительстве. Описание сложнейшего механизма золь-гель синтеза позволяет значительно упростить развитие и производство новых материалов с улучшенными свойствами, открывая перспективы для медицины, химической промышленности и освоения космоса. Исследование успешно проведено при поддержке Российского научного фонда (РНФ).
Удивительная природа аэрогелей
Силоксановые аэрогели представляют собой невероятно легкие и пористые материалы на основе атомов кремния и кислорода, где доля воздуха достигает 95-99%. Их уникальные свойства находят применение в медицинских системах доставки препаратов, обеспечивают превосходную тепло-, звуко- и электроизоляцию в авиастроении и строительстве, а также служат основой для фильтров, поглощающих вредные газы и разделяющих жидкости.
Метод и его сложности
Стандартный способ получения таких аэрогелей — золь-гель синтез. В этом процессе под действием катализатора жидкость сначала преобразуется в густой раствор с наночастицами (золь), а затем затвердевает в гель. Однако добиться материала с точно заданными характеристиками сложно, так как требуется глубокое понимание фазовых переходов вещества для управления реакцией.
Инновационный подход химиков
Исследователи из ИНЭОС РАН им. А.Н. Несмеянова, ИОХ РАН им. Н.Д. Зелинского и ИНХС РАН им. А.В. Топчиева впервые комплексно изучили все стадии золь-гель перехода (жидкость → золь → твердый гель) в рамках единой реакционной смеси, тогда как ранее анализировались лишь отдельные этапы.
Поэтапная заморозка как ключ
Новаторство метода заключалось в многократной остановке процесса путем заморозки жидкой смеси реагентов при температуре -80°C. В «застывшем» состоянии ученые фиксировали структуру образца. Последующая разморозка инициировала возобновление превращения жидкости в золь, а затем в гель при комнатной температуре. Повторяя циклы заморозки-разморозки на различных стадиях синтеза, удалось детально проследить поэтапное формирование каркаса будущего аэрогеля.
Рост наночастиц под микроскопом
Исследование показало: катализатор сначала стимулирует взаимодействие малых молекул реагентов с водой, приводя к образованию разветвленных цепочек. Эти цепочки объединяются в наночастицы размером 5-10 нанометров. Затем, притягивая оставшиеся молекулы из раствора, наночастицы растут, уплотняются и повышают вязкость смеси.
На финальных стадиях созревания геля наночастицы формируют между собой прочные связи, создавая устойчивую трехмерную сеть. Особая сушка позволяет удалить растворители и катализатор, оставляя легкий пористый аэрогель.
Перспективы управления материалом
Катализатор играет ключевую роль на всех этапах: сначала помогая строить цепочки и наночастицы, а затем ускоряя создание прочного каркаса из них.
Предложенная методология открывает широкие возможности для изучения иных сложных многофазных процессов. Понимание роли промежуточных соединений на каждой стадии позволяет управлять синтезом, создавая аэрогели с заранее определенными свойствами, такими как пористость и прочность. Этого можно достичь, регулируя концентрацию катализатора, воды и растворителя или изменяя температуру на нужной стадии. В планах ученых – применение полученных знаний для разработки водоотталкивающих, гибких и сверхстабильных аэрогелей!
Это открытие предлагает новый оптимистичный взгляд на управляемое создание материалов будущего, способствует технологическому прорыву в медицинских и космических приложениях благодаря уникальным свойствам аэрогелей, состоящих почти полностью из воздуха.
Источник: indicator.ru
