Новости

20 февраля, 2026 11:18

Ученые раскрыли механизм получения аэрогелей для медицины и аэрокосмической промышленности

Источник: InScience
Ученые выяснили, как создаются самые легкие материалы, на 99% состоящие из воздуха, — силоксановые аэрогели, которые используются в устройствах для сбора опасных химических веществ, в системах доставки лекарств и в качестве теплоизоляторов на космических кораблях и в строительных материалах. Исследователи описали механизм этого сложного многоступенчатого процесса — золь-гель синтеза. Знание о нем упростит производство новых материалов с улучшенными характеристиками для медицины, авиакосмической отрасли и химической промышленности. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Macromolecular Rapid Communications.
Силоксановые аэрогели. Источник: Дмитрий Холодков

Силоксановые аэрогели — это очень легкие и пористые материалы, которые содержат атомы кремния и кислорода и на 95–99% состоят из воздуха. Они используются в системах доставки лекарств, для тепло-, звуко- и электроизоляции в авиакосмической и строительной отраслях, а также в качестве основы для материалов-поглотителей вредных газов и разделения жидкостей.

Обычно такие материалы получают методом золь-гель синтеза. Это процесс, при котором под действием катализатора («ускорителя» реакции) жидкость сначала превращается в густой раствор с наночастицами — золь, — а затем в твердый гель. Однако провести реакцию так, чтобы получить материал со строго необходимыми свойствами, сложно. Поэтому ученые пытаются понять, как происходят переходы между разными состояниями вещества, чтобы направлять процесс в нужное русло.

Ученые из Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН (Москва), Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН (Москва) и Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН (Москва) впервые исследовали механизм таких процессов с фазовыми переходами (переходами из жидкого в золь и затем в твердое состояние — гель) в рамках одной и той же реакционной смеси. В более ранних работах изучались только отдельные стадии этого процесса.

Авторы сделали это, временно заморозив жидкую смесь реагентов, из которых формируется гель, при температуре –80°C. В таком «застывшем» состоянии химики оценили структуру образца. После этого его разморозили, в результате чего при комнатной температуре запустился процесс превращения жидкости в золь, а затем в гель. Заморозку и разморозку ученые повторили на разных временных промежутках золь-гель процесса. Это позволило поэтапно изучить, как формируется будущий каркас аэрогеля.

Исследователи выяснили: сначала малые молекулы реагентов взаимодействовали с водой под действием катализатора и объединялись в небольшие ветвящиеся цепочки. Затем такие цепочки собирались в наночастицы размером до пяти-десяти нанометров (примерно в сто раз меньше клеток бактерий). «Поглощая» из раствора оставшиеся небольшие цепочки, эти наночастицы росли и уплотнялись, делая смесь все более вязкой.

На последних этапах образования геля наночастицы связались между собой и сформировали прочную трехмерную сеть. С помощью специальной сушки авторы убрали из полученного геля растворители и катализатор, тем самым получив легкий пористый материал — аэрогель.

Ученые подчеркивают, что важную роль в описанном процессе играет катализатор. Сначала он помогает сшивать молекулы в цепочки и наночастицы, а затем ускоряет образование прочных связей между наночастицами, создающими каркас аэрогеля.

«Предложенный подход можно использовать для изучения других сложных и многофазных процессов. Понимая роль промежуточных соединений на каждой стадии этой реакции, мы сможем создавать аэрогели с заранее заданными свойствами, в частности, пористостью и прочностью. Этого можно добиться, например, меняя количество катализатора, воды и растворителя, а также температуру проведения реакции на определенном этапе. В дальнейшем мы планируем применить эти знания для получения отталкивающих воду и гибких стабильных аэрогелей», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ирина Гончарова, кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории функциональных элементоорганических соединений ИНЭОС РАН.

 

14 апреля, 2026
Ученые показали, что незаметное старение светодиодов снижает точность фотохимических экспериментов
Ученые выявили ранее недооцененный источник ошибок в фотохимии — неравномерное старение светодиодов...
14 апреля, 2026
Азот и он: ученые нашли эффективную замену популярным сердечным препаратам
Ученые синтезировали комплекс железа, который может стать более эффективной и безопасной альтернатив...

Хотите рассказать о своем исследовании? Заполните форму на нашем сайте