Химики разработали 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 –100oC до 500oC 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).