Ученые нашли положительно заряженные «островки» в ионных жидкостях

Ученые исследовали поведение заряженных частиц в ионных жидкостях в твердом и жидком состояниях. Оказалось, что в составе этих веществ формируются положительно заряженные области, которые влияют на их физические параметры. Работа поможет продолжить активное внедрение ионных жидкостей в различные сферы — от химической промышленности до ракетостроения. С результатами исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах Journal of Physical Chemistry Letters.

Мы привыкли представлять соли как маленькие твердые кристаллики. Однако соль может быть жидкой, и дело тут не в приготовлении раствора. Соли можно расплавить — как, например, лед или металл. В быту подобное не встретишь, так как большинство известных нам солей, например поваренная — NaCl, — обладают крайне высокой температурой плавления, порядка нескольких сотен градусов.

В конце 1880-х химики синтезировали соль, которую можно было расплавить при температуре 55°C. Новый класс веществ назвали ионными жидкостями. В обычных солях катион (положительно заряженный ион) и анион (отрицательно заряженный ион) небольшого размера, что помогает им сформировать компактную кристаллическую структуру. Катионы в ионных жидкостях — это объемные органические соединения, а анионы маленькие. В результате такой разницы кристаллической структуре сложно сформироваться, что позволяет соли находиться в жидком состоянии в более широком диапазоне температур.

Ионные жидкости занимают важное место в современной химии. Низкие испаряемость и воспламеняемость обеспечивают безопасное применение этих веществ в химической промышленности. Ионные жидкости используются как катализаторы для синтеза полимеров и композитных материалов, заменяют токсичные и взрывоопасные растворители в области энергетической промышленности.

Промышленное использование ионных жидкостей осложняют их необычные физические свойства. Их можно переводить в разные агрегатные состояния или фазы: жидкость, твердое тело, газ, однако тут вещества демонстрируют некоторые особенности. Все дело в нестандартных взаимодействиях ионов внутри расплавов солей. Из-за большого размера катионов общая плотность заряда снижается, и одинаково заряженные частицы формируют кластеры. Подобные положительно заряженные области влияют на фазовое поведение ионной жидкости.

За последние годы количество исследований в этой области значительно выросло. Ученые Новосибирского государственного университета и Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН (Новосибирск) с немецкими коллегами из Университета Ростока исследовали поведение заряженных частиц внутри ионных жидкостей. Для этого они разработали комплексный метод анализа катион-катионных кластеров в ионных жидкостях в различных агрегатных состояниях.

Исследователи синтезировали ионные жидкости на основе катионов с различной степенью поляризуемости. Поляризуемостью в химии обозначается смещение электронной оболочки под действием электрического поля. Соответственно, чем большей поляризуемостью обладает катион, тем сильнее он притягивает электронную плотность аниона. Полученные соединения были изучены современными методами спектрального анализа в области микроволнового (спектроскопия ядерного магнитного резонанса) и инфракрасного (ИК-спектроскопия) спектра излучения в зависимости от температуры и агрегатного состояния.

Результаты исследования показали, что количество одинаково заряженных кластеров напрямую зависит от химических характеристик ионных жидкостей. А это, в свою очередь, определяет характер перехода ионной жидкости в разные агрегатные состояния. Ионные жидкости со слабо поляризуемым катионом не формируют одинаково заряженные кластеры и в твердом состоянии образуют кристалл с упорядоченной решеткой. Однако при увеличении степени поляризуемости наблюдается формирование кластеров, и характер фазового перехода изменяется — ионная жидкость в твердом состоянии образует аморфное стекло.

«Ионные жидкости — очень перспективные материалы в промышленности. Знание о взаимодействии ионов в этих соединениях позволяет прогнозировать их свойства в различных условиях эксплуатации. Например, способность некоторых ионных жидкостей формировать стекло в переохлажденном состоянии позволяет расширить области их применения. Они благодаря своей некристаллической структуре могут использоваться для длительного хранения биологических тканей при низких температурах, защищая их от повреждающего действия замораживания», — подытожил руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Даниил Колоколов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем физического факультета НГУ.