office@icp.ac.ru
+7 496 522-51-64
Аэрогели оксида графена выглядят почти как чудо-материал: они лёгкие, пористые и чрезвычайно жадные до воды. Но у этой жадности есть неприятная сторона: при контакте с водой монолит попросту разрушается, «растворяется», теряя форму. Именно эту проблему и попытались решить авторы работы, опубликованной в журнале «Physica Scripta».
Идея эксперимента в следующем: монолитные цилиндры аэрогеля оксида графена помещали в атмосферу паров глутарового альдегида при температуре 50–55 °C и выдерживали там несколько суток суток. Глутаровый альдегид давно известен как агент, способный соединять соседние листы оксида графена химическими мостиками. Расчёт был на то, что эти мостики не дадут слоям разъехаться при попадании воды, но при этом не закроют поры, ответственные за впитывание.
Первый визуальный результат оказался неожиданным. За сутки исходный цилиндр превратился в усечённый конус: его нижняя часть, контактировавшая с медной пластиной, оказалась тоньше верхней. Авторы связывают это с тем, как замораживался гидрогель при приготовлении — лёд рос снизу вверх, вытесняя часть нанолистов кверху, так что плотность исходного образца по высоте была неодинаковой. Обработка паром лишь проявила эту неоднородность.
Химический анализ подтвердил, что сшивка действительно произошла. В инфракрасных спектрах обработанного образца появились полосы, характерные для CH₂-фрагментов глутарового альдегида, а интенсивность широкой полосы, отвечающей гидроксильным группам, заметно снизилась.
Самое интересное началось, когда обработанный аэрогель погрузили в воду. Исходный образец, как и ожидалось, разрушился. А образец после обработки паром — нет. Он впитал воду и остался целым. Более того, сорбционная ёмкость оказалась весьма внушительной: 35 граммов воды на грамм материала при первом цикле, а к четвёртому циклу она даже подросла до 38.3 г/г. Для сравнения: многие современные аэрогели на основе полисахаридов и композитов показывают величины в разы скромнее.
Отдельно стоит сказать о механической прочности. Сравнить исходный и обработанный образцы «в лоб» было непросто: за пять суток обработки цилиндр терял исходную геометрию, превращаясь в конус. Поэтому авторы взяли образцы, выдержанные в парах глутарового альдегида всего четыре часа, — за это время форма ещё сохранялась. Исходный аэрогель разрушался под грузом в 100 граммов, а обработанный спокойно выдерживал 150. Расчёт даёт прочность на сжатие ниже 0.0039 МПа для исходного материала и выше 0.0058 МПа для сшитого. Разница не выглядит гигантской в абсолютных цифрах, но сам факт того, что четырёх часов обработки достаточно для заметного упрочнения, говорит о перспективности подхода.
В заключительной части статьи авторы выходят за рамки чистой химии материалов и обозначают практический горизонт. Высокая сорбционная ёмкость в сочетании с быстрым впитыванием и сохранением формы делает обработанный аэрогель интересным кандидатом для интерфейсных солнечных испарителей — устройств, которые превращают солёную или загрязнённую воду в чистый пар за счёт солнечного тепла. В таких системах материал должен непрерывно подводить воду к поверхности испарения и при этом не разваливаться. По словам авторов, большинство современных фототермических аэрогелей и гидрогелей для солнечного парообразования демонстрируют ёмкость в диапазоне 5–25 г/г, причём более высокие значения часто достигаются ценой механической стабильности или скорости испарения. Сочетание же быстрого впитывания за 150 мс, целостности при полном погружении и ёмкости выше 38 г/г выглядит выигрышным.
Разумеется, до реальных устройств ещё далеко: следующий шаг, который намечают сами авторы, — интегрировать аэрогель с фототермическими компонентами вроде сажи или сопряжённых полимеров. Но сама основа уже выглядит прочной — в буквальном смысле этого слова.
В исследовании принимали участие научные сотрудники ФИЦ ПХФ и МХ РАН: Е. Н. Кабачков, С. А. Баскаков и Ю. М. Шульга
EN Kabachkov, S A Baskakov and Yury M. Shulga // Vapor-phase crosslinking of graphene oxide aerogels with glutaraldehyde: enhanced stability and high water absorption // Physica Scripta IF=2.6, Q-2