Уникальный эксперимент ученых из НГУ помог понять молекулярное устройство ионных жидкостей

Сотрудники лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем НГУ и Института катализа СО РАН Даниил Колоколов и Александр Степанов вместе с немецким профессором Ральфом Людвигом изучили водородные связи в различных ионных жидкостях. Оказалось, что в силу сложного молекулярного устройства эти вещества демонстрируют необычное фазовое поведение. Подобные исследования для ионных жидкостей в твердом состоянии ранее не проводились, причем сфера применения ионных жидкостей очень разнообразна – от химической промышленности до ракетостроения.

Как поясняет Даниил Колоколов, он был приглашен для участия в Гумбольдтовском семинаре (Humboldt Kolleg), который проходит в Новосибирске раз в несколько лет. Новосибирский ученый представил немецким коллегам результаты своей работы по исследованию молекулярной подвижности и состояний веществ, содержащих в себе водородные связи (вода в разном агрегатном состоянии, спирты и т. д.).

– Благодаря этому мероприятию мы познакомились с профессором Ральфом Людвигом из Университета города Росток, который заинтересовался нашими возможностями и нашими методами исследования. Сфера его научных интересов – ионные жидкости. Мы никогда этим не занимались, но в ходе обсуждения темы стало понятно, что мы могли бы внести свой вклад в понимание того, как устроены столь сложные объекты, как ионные жидкости. После того, как коллеги из Германии прислали нам образцы, мы приступили к эксперименту, который до этого никто никогда не проводил. Пока все получается замечательно, – рассказал кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем НГУ, сотрудник Института катализа СО РАН Даниил Колоколов.

Ионная жидкость – это жидкость, содержащая только ионы. В широком смысле ионными жидкостями считаются любые расплавленные соли, например, хлорид натрия, расплавленный при температуре выше 800 С. В настоящее время под термином «ионные жидкости» чаще всего подразумевают соли, температура плавления которых ниже температуры кипения воды, то есть ниже 100 С. Соли, которые плавятся при комнатной температуре, называются «RTIL», или «Room-Temperature Ionic Liquids».

Основные сферы применения ионных жидкостей − энергетика, биотехнологии, химия, ракетостроение. Ионные жидкости относятся к так называемым «зеленым растворителям», соответствующим принципам зеленой химии (научное направление, к которому можно отнести любое усовершенствование химических процессов, положительно влияющих на экологию). Некоторые ионные жидкости, например 1-бутил- 3-метилимидазолий хлорид, являются относительно эффективными растворителями для целлюлозы. В классических растворителях этот процесс происходит только в очень жестких условиях.

Результаты исследования легли в основу двух научных статьей,  опубликованных в ведущих общехимических журналах: Angewandte Chemie и Сhemical Communications. Новосибирские ученые смогли показать, что у ионных жидкостей, кроме сложного устройства, наблюдается необычное фазовое поведение: они динамически неоднородны.

– Вроде бы это кристалл, но когда вы смотрите с точки зрения динамики, то видите смесь неподвижного и жидкого состояний. Это уникальное наблюдение. Мы смогли показать, что это происходит с достаточно низкой температуры (−50 С) вплоть до перехода в жидкое состояние при комнатной температуре. Это означает, что быстрое движение протонов в ионных жидкостях возможно и в замерзшем состоянии, – резюмировал Даниил Колоколов.