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.
Схематическое изображение катионного
кластера в ионной жидкости. Источник: Khudozhitkov et al. / J. Phys. Chem.
Lett., 2023.
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.
Ральф Людвиг, руководитель исследования
с немецкой стороны. Источник: Даниил Колоколов.
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.
Александр Художитков, первый автор
статьи. Источник: Даниил Колоколов.
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.
Даниил Колоколов, руководитель проекта,
поддержанного грантом РНФ. Источник: Даниил Колоколов.
«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.
Источник: пресс-служба Российского научного фонда.