Новый подход позволит получать прочные пористые аэрогели

Аэрогели — уникальные материалы, которые могут на 99% состоять из воздуха. Именно поэтому они такие легкие и способны впитать большое количество жидкости или даже твердых частиц, а еще служат прекрасными звуко- и теплоизоляторами. Чаще всего говорят о аэрогелях на основе оксида кремния и некоторых оксидов металлов, однако главный их недостаток — хрупкость: образец рассыпается даже от небольшого сжатия.

Чтобы расширить применение аэрогелей, материаловеды стремятся разработать прочные материалы с настраиваемыми свойствами, например пористостью или плотностью. В качестве альтернативы оксидам предлагают полимеры: из целлюлозы, пластика, кевлара и компонента покровов ракообразных. Интересно, что полимеры и стали первыми веществами, из которых почти три десятилетия назад изготовили первый аэрогель. Это были высокопористые фенол-альдегидные, в частности, резорцин-формальдегидные, смолы, перспективные как носители для катализаторов, элементы сенсоров и аккумуляторов.

В своей новой работе сотрудники Института физиологически активных веществ РАН, Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, НИЦ КИ – Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова и Объединенного института ядерных исследований вернулись к истокам технологии и предложили свой вариант синтеза смол.

«Очевидно, что свойства фенол-альдегидных аэрогелей определяются их структурой — размером и диаметром пор, плотностью и так далее, — которая, в свою очередь, зависит от условий получения гелей, от скорости полимеризации органических молекул и сшивки полимерных цепей. Обычно резорцин-формальдегидные гели получают поликонденсацией резорцина и формальдегида в присутствии катализаторов — кислот или оснований, — а в качестве растворителя используют воду или ацетонитрил», рассказал автор статьи, заведующий лабораторией синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН, кандидат химических наук Александр Баранчиков.

Оказалось, что ранее практически не было изучено, как влияет на аэрогели растворитель. Авторы опробовали два очень популярных органических растворителя ацетонитрил и диметилсульфоксид. Выбор был обоснован тем, что они по-разному связывают протоны, ускоряющие реакцию поликонденсации.

В результате выяснилось, что растворитель действительно влияет на структуру и свойства образцов. Так, диметилсульфоксид позволил получить полимерный аэрогель с необычной фрактальной струтктурой. Он обладал удельной поверхностью около 200 м2/г и прочностью на сжатие около 30 МПа, тогда как образец на основе ацетонитрила — порядка 500 м2/г и не более 12 МПа соответственно.

По своей прочности аэрогель на диметилсульфоксиде уступает конструкционным сталям, однако столбик такого материала радиусом всего 1 см и массой 1 грамм вполне выдержит вес современного мотоцикла.