Ученые создали модель, предсказывающую наличие нетипичных кластеров связи в ионных жидкостях

В этом году сотрудники лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Физического факультета НГУ и Института катализа СО РАН продолжили изучение ионных жидкостей в сотрудничестве с коллегами из Германии и Японии. На основании опыта предыдущих исследований ученые смогли построить модель, которая позволила количественно оценить наличие кластеров с катион-катионной водородной связью в ионной жидкости. Было установлено, что количество таких кластеров напрямую влияет на процесс кристаллизации: большое количество катион-катионных кластеров позволяет ионной жидкости не замерзать, а переходить в состояние стекла при сверхнизких температурах, сохраняя внутреннюю подвижность частиц. Результаты исследования были опубликованы в The Journal of Physical Chemistry Letters.

 Ионные жидкости в широком смысле представляют собой любые расплавленные соли, например, хлорид натрия (поваренная соль), который плавится при температуре выше 800 градусов Цельсия. В настоящее время под термином «ионные жидкости» чаще всего подразумевают соли, температура плавления которых ниже температуры кипения воды (100 градусов Цельсия) — так называемые ионные жидкости первого поколения.

— Прошлые исследования помогли понять основной механизм, почему какие-то жидкости замерзают, а какие-то переходят в сверхпереохлажденное и затем в стеклянное состояние. Оказалось, что ключевую роль играет взаимодействие частиц в ионной паре. Наличие кластеров с положительно заряженной водородной связью показывает, насколько вещество может быть разупорядочено — и это предотвращает процесс замерзания, в отличие от четких упорядоченных структур, которые легко превращаются в кристалл при низких температурах, — рассказал старший научный сотрудник ЛСиФСМС ФФ НГУ и ИК СО РАН Даниил Колоколов.

Благодаря модели, построенной учеными, можно оценить термодинамические процессы внутри ионной жидкости, посчитать количество положительно заряженных кластеров и обычных, анион-катионных, и выяснить, какие следует заменить для того, чтобы расширить температурные диапазоны поддерживания ионной жидкости в состоянии стекла.

Это большое достижение как для фундаментальной, так и прикладной науки: наша модель позволяет описать как саму термодинамику процесса и поведение вещества при перераспределении водородных связей, так и химическую составляющую, которая зависит от выбора иона. Вся борьба в ионных жидкостях идет именно для поиска нужных катионов и анионов. С помощью нужного выбора мы можем достигнуть определенных функциональных свойств, например, регулировать вязкость, проводимость, температуру плавления, — добавил ученый.

Ионные жидкости используются в самых разных областях. Например, их можно использовать для экстракции химических веществ из смесей, в качестве криопротекторов (добавление ионной жидкости в водный раствор препятствует его фазовым переходам при воздействии низких температур, например, при заморозке биологического материала водный раствор не кристаллизуется), а также в качестве проводящей среды (электролитов). Кроме того, ионные жидкости предполагается использовать для закалки металлов и в качестве заполнения стеклянного тела глаза, так как ионная жидкость не высыхает, не испаряется и способна поддерживать необходимые функции органа в разных температурных режимах.

hh.png


Рис. Локальная структура водородосвязанных образований в протонных ионных жидкостях