Разработка подходов для направленного синтеза модифицированных аэрогелей на основе диоксида кремния с требуемыми характеристиками

Аэрогели - класс мезопористых веществ, сочетающих ряд уникальных свойств: высокая пористость и удельная поверхность, низкая плотность и теплопроводность, высокая сорбционная способность и т.д. Наличие таких свойств обусловлено особым строением аэрогелей. Матрица аэрогеля представляет собой открытую 3D-сеть, образованную связанными между собой наночастицами, поры между которыми заполнены воздухом. Сочетание указанных свойств позволяет считать аэрогели перспективными материалами для различных применений: высокоэффективные сорбенты, звуко- и теплоизоляторы, катализаторы, системы для доставки лекарств, системы хранения энергии, материалы для улавливания космической пыли. Для применения в конкретной области материал должен обладать определенным набором характеристик, в том числе значение удельной площади поверхности, фазовый состав, размер и форма частиц, коэффициент светопропускания, термическую устойчивость и т.д. SiO2 аэрогели наиболее исследованы. Этот тип аэрогелей давно известен, а методы его синтеза подробно описаны в литературе. Чаще всего для синтеза SiO2 аэрогелей используются тетраалкоксисиланы, такие, как тетраэтил- или тетраметилортосиликат. Реакцию проводят в среде органического растворителя, а воду, необходимую для гидролиза, и гелирующий агент добавляют в строго необходимом количестве. Для синтеза аэрогелей с поверхностью, модифицированной различными функциональными группами, используют замещенные тетраалкоксисиланы, например, 3-аминопропил-триметоксисилан, метил-триметоксисилан и др. Однако такие силаны сами по себе не способны формировать 3D сетку геля, и используются в смеси с тетраалкоксисиланом. Очевидно, что соотношение прекурсоров оказывает принципиальное влияние не только на количество функциональных групп на поверхности аэрогеля, но и на текстурные характеристики материала (плотность, пористость, размер пор, удельная площадь поверхности и т.д.). Однако в литературе присутствуют лишь разрозненные данные о влиянии соотношения прекурсоров на свойства получаемых аэрогелей. Кроме того, свойства получаемого аэрогеля зависят от заместителя в исходном силане, а именно от его химической природы, размера, пространственного строения и т.д. Тем не менее в литературе также отсутствуют систематические сведения о влиянии состава прекурсора на свойства получаемого аэрогеля. Можно заключить, что современное состояние научных исследований не предлагает подходов к синтезу аэрогелей с заранее заданными характеристиками. Разработка фундаментальных методов контролируемого направленного синтеза аэрогелей – главная цель предлагаемого проекта – является актуальной научной задачей. В данном проекте впервые предлагается синтезировать новые виды силанов (с заместителями, различными по химической природе, размеру, пространственному строению и т.д.), для последующего синтеза аэрогелей на их основе. Предполагается, что, изменяя состав исходного силана, а также его содержание в исходном золе, можно будет контролируемо изменять основные физико-химические свойства получаемых материалов. Кроме того, предлагается изучить влияние таких факторов, как химическая природа растворителя и концентрация на основные характеристики получаемых аэрогелей. Научная новизна проекта заключается в принципиально новом, комплексном междисциплинарном подходе к изучению связи между химическим строением использованных прекурсоров и свойствами получаемых материалов. В рамках выполнения работы предлагается синтезировать новые силаны, а также определить зависимость структуры и свойств получаемых аэрогелей. Синтез замещенных силанов предлагается проводить методом ацилирования 3-аминопропилтриметоксисилана (APTMS), который является коммерчески доступным реагентом. Для получения производных предлагается использовать кислоты с различными заместителями, а именно: 1. алифатические кислоты (в том числе дикислоты) с различной длинной алкильного заместителя; 2. ароматические дикислоты; 3. ароматические кислоты с объемным заместителем.