Новый метод создания геля может применяться для фильтрации воды и создания умных окон, пишет eurekalert.org. Масло и вода могут не смешиваться, но добавление правильных наночастиц в рецепт может превратить эти две несмешивающиеся жидкости в экзотический гель с различными вариантами применения: от батарей до фильтров для воды и умных окон, меняющих оттенок. Новый подход к созданию этого необычного класса мягких материалов может вывести их из лаборатории на рынок.

Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Делавэра нашли, по-видимому, лучший способ создания этих гелей, которые уже более десяти лет являются областью интенсивных исследований. Частью их потенциально широкого применения является сложный набор взаимосвязанных микроскопических каналов, которые образуются внутри них, создавая губчатую структуру. Эти каналы не только обеспечивают проходы для других материалов, что делает их полезными для фильтрации, но также придают гелю большую площадь внутренней поверхности, что является ценным свойством для ускорения химических реакций или в качестве основы, на которой может расти живая ткань.

Несмотря на то, что эти и другие преимущества звучат так, будто новаторы в области гелевых продуктов нашли нефть, их творения еще не получили широкого распространения на рынке. Гели обычно состоят из двух жидких растворителей, смешанных вместе. Как и в случае с маслом и водой, эти растворители плохо смешиваются, но, чтобы предотвратить их полное разделение, исследователи добавляют специально разработанные наночастицы, которые могут оставаться на границе раздела между ними. Тщательное приготовление этих ингредиентов позволяет сформировать когезионный гель.

Однако этот процесс сложен, потому что индивидуальный дизайн наночастиц для каждого применения был трудным, а формирование гелей требовало тщательно контролируемого быстрого изменения температуры. Эти ограничения затрудняют создание этого типа геля в каких-либо больших количествах, подходящих для лабораторных экспериментов, а не в промышленных масштабах.

Как описано в новом документе Nature Communications, команда NIST/Delaware нашла способы обойти многие из этих проблем. Его новый подход формирует то, что исследователи называют «SeedGel», что означает сокращение от «гель, управляемый сегрегацией растворителя».

Вместо того, чтобы создавать наночастицы, которые остаются на границе раздела двух растворителей, выбранные ими частицы концентрируются внутри одного из них. Хотя эти частицы имеют тенденцию отталкиваться друг от друга, сродство частиц к одному из растворителей сильнее и удерживает их вместе в канале. Используя инструменты рассеяния нейтронов в Центре нейтронных исследований NIST (NCNR), команда однозначно доказала, что им удалось сконцентрировать наночастицы там, где они хотели.

Полученный гель было бы намного проще создать, поскольку его два растворителя – это, по сути, масло и вода, а его наночастицы – диоксид кремния – по сути, крошечные сферы обычного кварца. Он также может иметь множество промышленных применений.

«Наш SeedGel обладает большой механической прочностью, его намного проще изготавливать, и процесс масштабируется в соответствии с потребностями производителей, – сказал Юн Лю, ученый NCNR и аффилированный профессор Университета Делавэра. – Плюс это термообратимый процесс».

Эта обратимость относится к оптическому свойству, которым обладает готовый SeedGel: он может переключаться с прозрачного на непрозрачный и обратно, просто изменяя свою температуру. Это свойство можно использовать в умных окнах, которые помещают тонкий слой геля между двумя стеклянными панелями.

«Это оптическое свойство может сделать SeedGel полезным и для других светочувствительных приложений, – сказал Юйин Си, исследователь из Университета Делавэра, также работающий в NCNR. – Они могут быть полезны в датчиках».

Поскольку подход группы к созданию геля может быть использован с другими комбинациями растворителя и наночастиц, он может стать полезным в фильтрах для очистки воды и, возможно, других процессах фильтрации в зависимости от того, какой тип наночастиц используется.

Лю также сказал, что такой подход к созданию позволяет регулировать размер каналов в геле путем изменения скорости изменения температуры во время процесса формирования, что дает разработчикам приложений еще одну степень свободы для исследования.

«Наш общий подход, работающий с множеством различных наночастиц и растворителей, – сказал он. – Это значительно расширяет возможности применения этих видов гелей».