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 на разрыв 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, 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
Медь по твердости догнала сталь
Материаловеды из США экспериментально подтвердили ранее теоретически предсказанный эффект — увеличение твердости металлов при нагревании в условиях высокой скорости деформации. Они обнаружили, что медь, золото и титан становятся значительно тверже при скорости деформации около 107обратных секунд. Исследование опубликовано в Nature.