Разработан многофункциональный термически и химически стабильный материал

Ученые разработали пористый материал, который может стать основой для многократно используемых катализаторов, датчиков влажности и поглотителей различного назначения. Основой этого материала послужили органосилоксаны — органические молекулы с кремнием, которые придают ему устойчивость к перепадам температур и водоотталкивающие свойства. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Inorganic Chemistry Frontiers.

Кремнийорганические соединения (силоксаны) лежат в основе многих материалов, широко применяемых в различных сферах человеческой деятельности — от авиакосмической отрасли до медицины и средств личной гигиены. Это связано с их устойчивостью к большим перепадам температур (от –100^oC до 500^oC и более), водоотталкивающими свойствами, способностью пропускать газы и биосовместимостью.

Кроме того, силоксаны потенциально можно использовать в составе металл-органических каркасов. Это пористые материалы нового поколения, которые состоят из двух типов строительных блоков: органических молекул различного строения и ионов металлов. Комбинируя такие блоки, можно получать материалы с порами разного размера и другими характеристиками. Металл-органические каркасы могут использоваться для разделения газов, хранения и доставки лекарств, поглощения масел и красителей, ускорения реакций (в качестве катализаторов) и других целей. Применение водоотталкивающих и термически стабильных силоксанов вместо органических соединений в качестве блоков может позволить перенести эти свойства на конечные материалы.

Исследователи из Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН (Москва) с коллегами впервые синтезировали металл-органические каркасы на основе симметричной кремнийорганической кислоты. Эта молекула интересна тем, что в ее основе лежит кольцо из кремния и кислорода, с одной стороны от которого расположены четыре кислотные группы, а с другой — четыре кремнийорганические группы с водоотталкивающими свойствами. Это позволяет формировать связи с ионами металлов, необходимые для построения металл-органических каркасов, и придавать полученным соединениям водоотталкивающие свойства.

«Мы получили металл-органические каркасы на основе этой кислоты и различных ионов металлов. Одним из важных результатов стало получение медь-содержащего материала с уникальным комплексом свойств. Оказалось, что простое смешивание спиртовых растворов соли меди и кремнийорганической кислоты, а также последующая сушка позволяют получить порошок бирюзового цвета. Этот пористый материал обладает очень низкой плотностью (в 100 раз ниже, чем у воды), а потому может быть охарактеризован как металл-органический аэрогель», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Кутумов младший научный сотрудник ИНЭОС РАН.

Полученный аэрогель стабилен при высоких температурах, а также легко меняет цвет на синий при нагреве до 80°C. Это связано с тем, что материал теряет молекулы воды, которые в обычных условиях «удерживаются» рядом с ионами меди. Если после нагрева аэрогель поместить во влажную среду, то происходит обратное изменение окраски на бирюзовую. Это свойство удобно использовать для визуального выявления влаги, например, в упаковках для чувствительных к ней материалов, в том числе компонентов электроники. Кроме того, полученный аэрогель может служить многоразовым катализатором (ускорителем) различных химических реакций.

«В дальнейшем мы планируем продолжать исследования, посвященные металл-органическим каркасам на основе кремнийорганических соединений. Будут получены новые материалы и исследованы их свойства, а также разработаны решения для более тонкой настройки их характеристик. Мы надеемся, что это повысит эффективность наших материалов и позволит перейти к решению более масштабных прикладных проблем, например очистки промышленных стоков или сбора влаги в засушливых условиях», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ашот Арзуманян, кандидат химических наук, заведующий лабораторией функциональных элементоорганических соединений ИНЭОС РАН.

В исследовании принимали участие сотрудники Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН (Москва), Южного федерального университета (Ростов-на-Дону), Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (Москва) и Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН (Москва).