Научная группа сотрудников Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лавёрова Уральского отделения РАН (Архангельск) и Северного (Арктического) федерального университета им. М.В Ломоносова получила экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что лигнин может стать перспективным материалом для создания электрических конденсаторов.
Лигнин — важнейший компонент древесины (слово «лигнин» происходит от латинского lignum — дерево, древесина). Это второй по распространённости после целлюлозы природный полимер. Его содержание в древесине в зависимости от пород составляет от 18 до 35 процентов.
Хвойный лигнин
Однако до сих пор лигнин не находит широкого применения. Он рассматривается как отход целлюлозно-бумажного производства (ЦБП). При сульфатном способе получения целлюлозы лигнин используется предприятиями, как правило, в системе регенерации химикатов и сжигается для получения электроэнергии. Наиболее заметными продуктами из лигнина вне сферы ЦБП стали энтеросорбенты. Впрочем, исследовательские данные говорят, что промышленный потенциал биополимера не исчерпан.
Доктор химических наук Константин Григорьевич Боголицын
«Анализ структурных свойств природных и технических лигнинов показывает, что этот биополимер обладает уникальными электрофизическими свойствами. Структура лигнина близка к материалам, которые используются для получения конденсаторных диэлектриков», — поясняет руководитель исследовательской группы, директор Института экологических проблем Севера Лавёровского центра, профессор САФУ Константин Боголицын.
Определить, какие структуры и центры в природном полиароматическом нерегулярном органическом соединении могут переносить электрические заряды, удалось альянсу химиков и физиков в рамках междисциплинарного исследования. В составе исследовательского коллектива над проектом работают заведующая лабораторией химии растительных биополимеров ФИЦКИА УрО РАН Мария Гусакова, старший научный сотрудник лаборатории Сергей Хвиюзов и старший преподаватель кафедры фундаментальной и прикладной физики САФУ Александр Волков.
Диэлектрический спектрометр
Учёные Лавёровского центра и САФУ провели исследования электрофизических свойств лигнина в широком диапазоне частот переменного электрического поля — от 0,01 до 10 000 000 Гц. Методом диэлектрической спектроскопии оценивалось проявление разных типов поляризации биополимера, обусловленных его полифункциональной природой. С помощью инфракрасной Фурье-спектроскопии впервые были получены данные о распределении сетки водородных связей с участием реакционных центров макромолекул и их влиянии на реакционные свойства полимера.
В ходе эксперимента была установлена взаимосвязь функциональной природы, физико-химических и электрофизических свойств лигнина. Как отмечают участники научного коллектива, диэлектрическая проницаемость лигнина менялась незначительно в диапазоне частот до 107 (10 млн) Гц и при температурах менее 100 °С. Это даёт основания считать лигнины материалом, пригодным для получения широкополосных электрических конденсаторов, ёмкость которых не будет зависеть от частоты внешнего переменного электрического поля.
По словам Константина Боголицына, фундаментальные исследования позволяют научной группе постепенно перейти к изучению управляемости диэлектрических процессов.
«Это очень важный аспект. Теперь мы попытаемся модифицировать лигнинные компоненты с тем, чтобы усилить те или иные электрофизические свойства. При получении новых данных станет очевиднее, какими именно могут быть области применения лигнинов», — подчеркнул руководитель научного коллектива.
При этом исследователи обращают внимание на важную с точки зрения экологии характеристику потенциально перспективного материала. Как пояснил старший научный сотрудник лаборатории химии растительных биополимеров Лавёровского центра Сергей Хвиюзов, лигнины являются биоразлагаемыми полимерами. И это качество материал сохранит даже в новых модификациях.
Результаты исследования опубликованы в международном научном издании Journal of Wood Chemistry and Technology и в других высокорейтинговых научных журналах, а также в материалах крупнейшей научной конференции по химическим наукам «XXII Mенделеевского съезда по общей и прикладной химии».
Источник: ФИЦКИА УрО РАН.