Химики получили очень твердый и эластичный ионогель

Химики из США и Китая разработали метод синтеза ионогелей с выдающимися механическими свойствами. В результате сополимеризации акриламида и акриловой кислоты в ионной жидкости ученые получили прочный и эластичный ионогель, обладающий эффектом памяти формы. С другими мономерами метод также сработал успешно. Исследование опубликовано в Nature Materials.

Ионогели состоят из полимера, распределенного в ионной жидкости. Такие материалы устойчивы термически и электрохимически, но они не находят широкого применения из-за своих механических характеристик: ионные гели с большим содержанием жидкости очень эластичные и легко рвутся, а гели с низким содержанием жидкости — твердые, но очень хрупкие.

Химики под руководством Майкла Дики (Michael Dickey) из Университета штата Северная Каролина взялись за эту проблему. Они предположили, что если приготовить ионогель на основе сополимера, в котором одни фрагменты буду обладать большим сродством к ионной жидкости, чем другие, получится синтезировать одновременно прочный и эластичный материал.

Сначала химики синтезировали несколько образцов ионогеля: на основе полиакриловой кислоты, на основе полиакриламида и из сополимеров с разным содержанием кислоты и амида. В качестве ионной жидкости химики выбрали производное имидазола. За счет того, что полиакриловая кислота хорошо растворялась в этой ионной жидкости, образец на ее основе оказался очень эластичным. А в случае полиакриламида, фрагменты которого связаны сетью водородных связей, химики получили прочный и хрупкий образец. Свойства продуктов на основе сополимера менялись в зависимости от доли каждого из мономеров.

Чтобы оценить механические свойства полученных образцов, химики попробовали поднять с их помощью килограммовую гирю. Испытание выдержал только образец на основе сополимера, причем с долей полиакриламида более 80 процентов. Дальнейшие измерения показали, что именно при доле полиакриламида в 81 процент ионогель обладает наилучшими механическими свойствами. Его модуль Юнга при небольших нагрузках составил 46,5 мегапаскаля (рекорд среди известных ионогелей), а прочность на излом — 12,6 мегапаскаля.

Далее химики обнаружили еще два необычных механических свойства синтезированного ионогеля. Сначала они испытали его на эффект памяти формы: оказалось, что при нагревании деформированные образцы приобретают форму, в которой их изначально получили. Кроме того, разрезанные фрагменты ионогеля слеплялись в один при нагревании до 60 градусов. Но полученные образцы обладали ухудшенными механическими свойствами по сравнению с исходными.

Чтобы выяснить причину улучшенных механических характеристик ионогеля по сравнению с другими схожими материалами, авторы исследовали его образцы с помощью сканирующей электронной микроскопии. На микрофотографиях можно видеть, что при увеличении доли полиакриламида в ионогеле, начинает формироваться насыщенная полимером фаза с низким содержанием ионной жидкости. Ученые считают, что она отвечает за повышенную прочность, а фаза с высоким содержанием ионной жидкости — за эластичность.

В результате химики получили ионогель с выдающимися механическими характеристиками. Кроме того, они показали, что их метод работает и для других мономеров, но при условии, что один из мономеров будет хорошо растворим в ионной жидкости, а другой — плохо. Так, химики надеются, что благодаря их методу синтеза, ионогели будут применять для создания конструкционных материалов.

Ранее мы рассказывали о том, как гидрогели (они похожи на ионогели, но вместо ионных жидкостей содержат воду) используют для создания биосенсоров.

Михаил Бойм