Управляемая сборка нанопроводов толщиной менее 1 нм для создания аэрогелей

Почему лёгкие твердые тела важны

Аэрогели иногда называют «замёрзшим дымом», потому что они настолько лёгкие и частично прозрачные, но при этом способны эффективно изолировать, фильтровать или светиться. По мере того как инженеры внедряют эти материалы в энергосберегающие окна, датчики и гибкую электронику, появляется узкое место: крошечные строительные блоки в традиционных аэрогелях уже не дают существенного прироста свойств. В этой работе предложен новый подход к созданию аэрогелей из ультратонких нанопроводов толщиной менее нанометра, что позволяет получить материалы легче, более пористые и механически прочнее многих существующих конструкций.

Сборка из тончайших возможных проводов

Традиционные аэрогели опираются на наночастицы, нанофибры или слои толщиной в несколько — десятки нанометров. Авторы используют «нанопроводы менее 1 нм» — нити настолько тонкие, что их диаметр сопоставим с размером элементарной ячейки кристалла и близок по масштабу к большим молекулам полимеров. Такие проводоподобные элементы сочетают огромную удельную поверхность с необычной гибкостью и высокой энергией поверхности. Ранние попытки превратить их в объёмные материалы давали в основном волокна и плёнки, а не трёхмерные монолиты. Предшествующий метод заморозки действительно получал аэрогели, но рост кристаллов льда сжимал провода, разрушая поры и теряя большую часть поверхности. Задача состояла в том, чтобы собрать эти хрупкие, как волос, компоненты в прочную, открытую сеть, не разрушив их.

Научить нанопроводы работать в жидкости

Ключевое достижение — точный контроль взаимодействий между нанопроводами и с окружающей жидкостью. Команда изучает нанопроводы гидроксида-оксид гадолиния, покрытые молекулами олеиновой кислоты. В неполярных жидкостях такие покрытые провода хорошо диспергируются, образуя прозрачную суспензию, но в полярных растворителях, например спиртах, они быстро слипаются и осаждаются. Исследователи заменяют исходное покрытие на новую молекулу с концевой гидроксильной группой в ходе обмена лигандами — при этом общая органическая составляющая остаётся похожей, но меняется «ощущение» поверхности провода для растворителя. Спектроскопические и термические измерения подтверждают почти полную замену исходных лигандов, а электронная микроскопия показывает изменение организации проводов от аккуратно параллельных пучков к более переплетённым структурам в полярной среде — признак перенастройки их взаимных притяжений и отталкиваний.

От текучей жидкости к твёрдому гелю

С новой поверхностной химией нанопроводы можно диспергировать в различных спиртах, где полярность и разветвлённость растворителя тонко регулируют силу притяжения и запутывания проводов. В разных изомерах бутанола степень пучкообразования и перекрёстных контактов увеличивается с ростом ветвистости молекул растворителя, что приводит к более толстому и прочному скелету геля. Добавление лимонной кислоты запускает формирование трёхмерной перколирующей сети: молекулы кислоты и протоны действуют как мосты и электростатические драйверы, стягивающие провода вместе. Молекулярно‑динамические моделирования визуализируют этот процесс, показывая сближение нанопроводов по мере уменьшения энергии взаимодействия с заряженными частицами. Эксперименты показывают, что одни гели со временем упрочняются по мере утолщения сети, тогда как другие со временем слабнут и снова текут, когда тонкие нити не выдерживают продолжающейся реорганизации, что проясняет, как тонкие различия на ранних стадиях агрегации определяют механическую судьбу геля.

Сушка без коллапса и дополнительные приёмы

После формирования стабильного влажного геля жидкость внутри удаляют с помощью сушки сверхкритическим углекислым газом — щадящей процедуры, избегаемой силы поверхностного натяжения, которые обычно уничтожили бы столь деликатный каркас. В результате получается полупрозрачный аэрогель из переплетённых нитей нанопроводов толщиной всего в несколько нанометров. Эти структуры достигают очень большой удельной поверхности — порядка 505 м²/г, что значительно превосходит ранее полученные аэрогели из субнанометровых проводов и многие аэрогели, построенные из более толстых нанофибр, при этом сохраняя ультранизкую плотность примерно 0,024 г/см³. Поскольку волокна намного тоньше видимых длин волн света и распределены гомогенно, родственные аэрогели на основе тербия ярко светятся по всему объёму при УФ‑освещении. Метод также применим к нескольким другим редкоземельным нанопроводам и к смесям, дающим настраиваемые цвета излучения, что подчёркивает его универсальность.

Укрепление и придание водоотталкивающих свойств перышкоподобным телам

В исходном виде паутинистый каркас настолько тонок, что легко деформируется под нагрузкой. Чтобы повысить его прочность, не потеряв лёгкости, авторы покрывают скелет нанопроводов слоем кремнезёма с метильными группами методом химического осаждения из паровой фазы. Эта тонкая жёсткая оболочка значительно повышает прочность при сжатии и упругость: образцы аэрогеля можно сжать до половины высоты и почти полностью восстановить даже после 50 циклов. В то же время метильный декор делает поверхность сильно водоотталкивающей, позволяя материалу плавать по воде и сопротивляться воздействию влаги. Важно, что микроскопия показывает сохранение общей пористой структуры и низкой плотности после покрытия.

Что это означает для будущих материалов

Освоив настройку поверхностной химии суб‑нанометровых проводов, управление их поведением в разных растворителях и деликатную сушку гелей, исследователи создали новый класс ультралёгких аэрогелей с большой удельной площадью поверхности, впечатляющей механической стойкостью и водоотталкивающими свойствами. Проще говоря, они показали, что можно взять крошечные проводоподобные строительные блоки, заставить их образовать стабильную трёхмерную сеть и зафиксировать эту сеть в виде твёрдого материала, состоящего в основном из пустого пространства. Эта стратегия расширяет инструментарий для проектирования аэрогелей следующего поколения для теплоизоляции, оптики, сенсоров и других технологий, где важны лёгкость, пористость и прочность материалов.

Цитирование: Du, Y., Xiu, Y., Yang, X. et al. Controllable assembly of sub-1 nm nanowires for the construction of aerogels. Nat Commun 17, 4053 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70713-8

Ключевые слова: аэрогели, нанопроводы, пористые материалы, поверхностная химия, лёгкие материалы