Структуру ионогелей — перспективных органо-неорганических композитов на основе ионных жидкостей — впервые детально изучили исследователи из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова и Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова, Объединённого института ядерных исследований, Факультета наук о материалах МГУ и Факультета химии НИУ ВШЭ. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом журнале Langmuir.

Ионные жидкости — необычные вещества, представляющие собой соли, жидкие при комнатной температуре. Как правило, соли в обычных условиях являются твёрдыми веществами — всем хорошо известны поваренная соль, медный купорос, квасцы и другие представители этого обширного класса соединений, состоящих из положительно и отрицательно заряженных ионов. Однако некоторые соли способны оставаться в жидком состоянии при очень низких температурах (намного ниже нуля) за счёт несимметричного строения и больших размеров входящих в их состав ионов — их и называют ионными жидкостями. Благодаря своему строению, ионные жидкости обладают уникальными свойствами — они практически нелетучи, обладают высокой ионной проводимостью, являются прекрасными растворителями (некоторые из них растворяют даже бумагу!) и экстрагентами для ценных органических соединений и ионов металлов. В то же время, практическое применение ионных жидкостей ограничено именно тем, что они… жидкие. Для решения ряда прикладных задач намного удобнее твердотельные материалы — в частности, твёрдые экстрагенты и катализаторы более технологичны и экологически безопасны. В связи с этим, в некоторых случаях целесообразно использовать ионные жидкости не в чистом виде, а в смесях с адсорбентами — например, силикагелем (диоксидом кремния). Такие композиты — так называемые 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 многие другие. Очевидно, что свойства ионогелей будут зависеть от состава и структуры обоих компонентов — и ионной жидкости, и твёрдой матрицы.

Результаты исследования комментирует один из руководителей работы, член-корреспондент РАН Владимир Иванов: «Наша научная группа заинтересовалась ионогелями относительно недавно, но мы уже получили несколько ярких результатов. Один из них и отражает данная публикация. В этой работе мы 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 твёрдого сорбента, ведёт себя совершенно не так, как в свободном состоянии. Например, проводимость жидкости вблизи поверхности и в объёме может отличаться на порядок, что связано с искажением её 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. Для анализа полученных ионогелей был использован комплекс современных методов, в том числе спектроскопия ядерного магнитного резонанса, инфракрасная спектроскопия, термический анализ и другие. Наиболее информативным оказался метод малоуглового рассеяния рентгеновского излучения, соответствующие измерения мы провели с помощью коллег из Объединённого института ядерных исследований и Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова. Оказалось, что вблизи поверхности твёрдых частиц структура ионной жидкости резко изменяется — расстояние между анионами и неполярными фрагментами её катионов увеличивается примерно на 20 %. Мы считаем, что полученные результаты важны не только с фундаментальной, но и с практической точек зрения, поскольку получение новых функциональных материалов на основе ионогелей (например, электролитов для аккумуляторов) требует понимания механизмов взаимодействия ионных жидкостей с твёрдыми носителями различной химической природы. Добавлю, что мне лично особенно приятно, что в работе приняли самое активное участие сотрудники и аспиранты молодёжных лабораторий Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН».

Работа выполнена при поддержке проекта РНФ 23-73-00028.

Источник: пресс-служба ИОНХ РАН.