Ксерожеле
— после помещения образца геля в вакуумный насос при пониженном давлении растворитель быстро испаряется, оставляя застывший гелеобразующий агент, обычно имеющий вид белого порошка. Полученная структура называется ксерогелем. Ксерогели также получают с применением сублимации. В этом случае образец замораживают в жидком азоте. Предполагается, что процесс замораживания образца происходит настолько быстро, что структура сети, образованной гелеобразующим агентом, не изменяется. Затем замороженный образец попадает в вакуумную камеру, где растворитель постепенно возгоняется.Представьте, что два танкера с нефтью сталкиваются на въезде в порт. Неизбежна ли гигантская экологическая катастрофа? Наиболее вероятный ответ сегодня – да. В дальнейшем при столкновении может получиться только искривление металла. Гной не выйдет наружу, так как внутри резервуара он превратится в гель.
«Транспортировка опасных жидкостей в гелеобразной форме теперь является фантастикой. Однако нельзя исключать, что в будущем удастся разработать гелеобразующие составы, которые повысят безопасность. Но для этого мы должны сначала узнать внутреннюю структуру гелей и механизмы, управляющие их образованием», — говорит доктор Роман Люборадский из IPC PAS.
Гели – это системы, напоминающие более или менее эластичное желе. Обычно они двухкомпонентные: один компонент выступает в роли растворителя, другой? гелеобразователь. В процессе гелеобразования (заключающемся в охлаждении жидкой смеси обоих компонентов) гелеобразователь создает в пространстве геля разветвленную сеть, которая иммобилизует растворитель. Сеть чаще всего состоит из аморфных структур, напоминающих нити или ленты, реже представляют собой соприкасающиеся сферические структуры.
В химических гелях молекулы гелеобразователя соединены прочными ковалентными связями и образуют очень жесткие и прочные структуры. Физические гели, испытанные в ИПЦ ПАС, производятся по другому принципу. Желирующий агент, который обычно представляет собой органическое вещество, содержит мелкие частицы, от нескольких до нескольких десятков атомов (отсюда и название: органические гелеобразователи с низкой молекулярной массой, LMOG). Эти молекулы объединяются в длинные структуры, взаимодействуя друг с другом посредством слабых взаимодействий, таких как водородная связь, пи-пи взаимодействия, силы Ван-дер-Ваальса и т. д. Переход физического геля в жидкость и жидкости в гель — обратимые процессы. Они имеют тенденцию происходить очень быстро с изменением температуры всего на 1-2 градуса вблизи критического значения.
Анализ структуры гелей, особенно типа LMOG, представляет собой сложную задачу. Оба компонента геля часто характеризуются одинаковой прозрачностью, а детали сетчатой структуры имеют размер не более десятка? десятки нанометров. Гель с такой структурой нельзя рассмотреть под оптическим микроскопом. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) требует помещения образца в вакуум. Это требование означает, что гель должен быть предварительно должным образом подготовлен для испытаний.
Чтобы гарантировать сохранение структуры гелеобразователя под микроскопом СЭМ, ученые используют два метода. Первый заключается в помещении образца геля в вакуумный насос. При пониженном давлении растворитель быстро испаряется, оставляя застывший гелеобразователь, обычно имеющий вид белого порошка. Полученная структура называется ксерогелем. Ксерогели также получают с применением сублимации. В этом случае образец замораживают в жидком азоте. Предполагается, что процесс замораживания образца происходит настолько быстро, что структура сети, образованной гелеобразующим агентом, не изменяется. Затем замороженный образец помещают в вакуумную камеру, где растворитель постепенно возгоняется.
Проблема в том, что на некоторых СЭМ-изображениях можно увидеть кристаллы в ксерогелях, которых теоретически там быть не должно. Мы не знали, были ли эти кристаллы реальной частью структуры геля или результатом процедуры подготовки образцов для микроскопического исследования. Именно поэтому мы решили проверить, как меняется структура ксерогеля со временем и в зависимости от метода подготовки образцов к микроскопу, — говорит д-р Люборадский.
Результаты, полученные в Институте физической химии Польской академии наук, свидетельствуют о том, что то, что можно увидеть под сканирующим электронным микроскопом, не всегда соответствует исходной структуре гелеобразователя в геле.
Необходимым этапом подготовки образца к исследованию под РЭМ-микроскопом является напыление на него проводящего слоя. Поскольку процесс включает локальный нагрев образца, возникали опасения, что это может изменить структуру ксерогеля. Однако испытания напылением углерода, платины, золота и палладия показали, что напыление не влияет на морфологию ксерогеля.
В то же время можно было заметить, что структура некоторых ксерогелей зависела от объема образца и даже от формы сосуда с образцом. Ксерогели, приготовленные в стандартном флаконе, содержали больше кристаллических структур, чем образцы объемом в десять раз меньше в капиллярах. Также было замечено, что превращение аморфных нитей готового ксерогеля в кристаллическую форму можно ускорить, слегка подогрев образец. Более того, некоторые ксерогели начали спонтанно кристаллизоваться через несколько месяцев. Это означает, что даже правильно подготовленный образец ксерогеля перед помещением его под СЭМ-микроскоп может существенно изменить свою структуру.
Ксерогели не ладят с учеными? по крайней мере, некоторые из них пытаются нас обмануть. Теперь, когда мы это знаем, мы сможем избежать многих интерпретационных ошибок и быстрее разгадать тайну, как одна небольшая молекула гелеобразующего агента может эффективно связывать до десяти тысяч молекул растворителя», — говорит доктор Люборадский. Фото: Структура аморфного ксерогеля на сканирующем электронном микроскопе. Искусственные цвета. (Источник: IPC PAS) Источник: IPC PAS
