В научном журнале «The Journal of Physical Chemistry Letters» опубликована статья о результатах исследований новосибирских ученых «Как притяжение одноименных зарядов влияет на подвижность катионов в гидроксильных функционализированных ионных жидкостях». При реализации исследования, поддержанного грантом РНФ, были достигнуты уникальные результаты, о которых рассказал руководитель исследовательской группы – старший научный сотрудник лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем Физического факультета НГУ, кандидат физико-математических наук Даниил Колоколов.
Ученые исследовали молекулярное строение и молекулярную подвижность ионных жидкостей нового типа и обнаружили, что при определенном строении катионов данного вещества возникают условия, когда образуются необычные локальные кластеры однозаряженных катионов, связанные водородными связями. Появление таких кластеров полностью определяет такие параметры ионных жидкостей, как тип фазового перехода и вязкость. Оказалось, что при наличии катионных кластеров жидкости при охлаждении не кристаллизуются, а стеклуются. При этом в жидком состоянии локальная молекулярная подвижность, отвечающая за механизм вязкости жидкости, также меняется.
— Мы показали, что когда образуются такие катион-катионные кластеры, то микроскопическая вязкость определяется наличием этих катионов, температурная зависимость вязкости для обычных ионных жидкостей определяется размером ионных пар, — пояснил Колоколов. — В нашем случае получается дополнительный режим, когда сразу после плавления наличие однозаряженных катионных кластеров, более крупных образований чем ионные пары, определяет вязкость вещества. Мы показали, что при определенном строении и размере катионов дисперсионное взаимодействие стабилизирует водородные связи между однозаряженными катионами, что противоречит обычной логике что «одноименные заряды отталкиваются». Эти кластеры сильнее взаимодействуют с остальными молекулами ионной жидкости что и увеличивает микроскопическую вязкость, так как определяет локальную динамику всех компонент жидкости. При дальнейшем нагреве эти водородные связи распадаются, и остаются только обычные катион-анионные пары, а вязкость падает.
Ученый отметил, что современные условия требуют перехода к новым материалам во многих отраслях, например, в энергетике и медицине. Ионные жидкости являются очень важным классом материалов именно в силу того, что их свойства можно подстраивать под условия, видоизменяя их строение. Проект новосибирских исследователей направлен на построение этих фундаментальных взаимосвязей, что очень важно в том числе для производства элементов питания нового поколения. Для этих веществ характерна более сложная зависимость от температуры. Зная ее, можно будет прогнозировать «поведение» ионной жидкости в тех или иных условиях.
Исследователи считают сделанные открытия прорывными, потому что ранее сам факт существования нетривиальных однозаряженных кластеров катионов считался невозможным, по крайней мере, для обычных неорганических солей. Но оказалось, что в ионных жидкостях данный факт качественным образом влияет на их фазовое поведение, строение и ионный перенос. Такие гипотезы существовали ранее, однако попыток их синтеза не предпринималось. Группа ученых доказала, что возможно синтезировать целый класс подобных веществ.
В исследованиях, помимо Даниила, принимали участие кандидат физико-математических наук Александр Художитков и кандидат химических наук Сергей Арзуманов, а также зарубежные ученые. Под руководством профессора физической и теоретической химии Университета г. Росток (Германия) Ральфа Людвига они синтезировали материал для исследований, проверяли его чистоту, также проводили теоретический анализ методами теоретической химии. Задача же российской команды состояла в детальном исследовании полученных образцов экспериментальными методами твердотельной спектроскопии ядерного магнитного резонанса.
Даниил Колоколов отметил, что сотрудничество его лаборатории с зарубежными коллегами продолжится и далее. Между сторонами существуют взаимные договоренности и общие научные интересы.
—
Это только один из вариантов ионной жидкости, где мы обнаружили эти необычные свойства, но есть и другие типы явлений, которые мы хотели бы изучить. В первую очередь они связаны с тем, как меняется молекулярная подвижность в зависимости от строения и типов водородной связи в этих ионных жидкостях. Также нам интересно увидеть, как происходят процессы плавления и перехода от замерзания данных ионных жидкостей в зависимости от строения катиона. Дело в том, что данные процессы замерзания и плавления в исследованных нами жидкостях происходят по большей части в условиях комнатной температуры. Теперь нам интересно узнать, можем ли мы эту температуру понизить, и какой тип перехода произойдет – кристаллизация или стеклование. Именно в этом направлении мы и продолжим нашу работу, — добавил Колоколов.
