В 1945 году создана лаборатория разделения смесей, которой он же и руководил до 1948 года.
В 1946 году после смерти А. Н. Баха, стал директором НИФХИ им. Л. Я. Карпова, которым руководил до 1948 года.
Провёл большую работу по перестройке научной деятельности с учётом потребностей народного хозяйства и обороны.
С 1963 года академик-секретарь Отделения физико-химии и технологии неорганических материалов АН СССР.
Наряду с академиками АН СССР Б. М. Кедровым, М. В. Келдышем, А. Н. Несмеяновым, Ю. А. Овчинниковым, Б. Е. Патоном, А. М. Прохоровым, Н. Н. Семеновым, Д. В. Скобельцыным, И. М. Франком, А. Н. Фрумкиным, Ю. Б. Харитоном, М. Б. Храпченко, П. А. Черенковым и другими подписал в 1973 году письмо учёных в газету «Правда» с осуждением «поведения академика А. Д. Сахарова». В письме Сахаров обвинялся в том, что он «выступил с рядом заявлений, порочащих государственный строй, внешнюю и внутреннюю политику Советского Союза», а его правозащитную деятельность академики оценивали как «порочащую честь и достоинство советского учёного»[3][4].
Основные работы Жаворонкова были в области неорганической химии и химической технологии.
В начале своей научной деятельности Николай Михайлович занимался изучением процессов получения водорода и азото-водородной смеси и очистки их от углекислого газа и окиси углерода для производства синтетического аммиака.
Работы Жаворонкова последних лет посвящены процессам разделения жидких и газовых смесей методами абсорбции, ректификации, молекулярной дистилляции и химического обмена. Совместно с сотрудниками выполнил серию работ по теории процессов концентрирования стабильных изотопов и разработал методы разделения изотопов водорода, углерода, азота, кислорода, бора и других лёгких элементов.
Опубликовал около 500 научных работ, более 100 научных популярных и публицистических статей. Многие работы Жаворонкова нашли широкое применение в промышленности.
Работы
Гидравлические основы скрубберного процесса и теплопередача в скрубберах, М., 1944;
Молекулярная дистилляция, «Химическая промышленность», 1950, № 11— 12 (совм. с В. А. Малюсовым);
Азот в природе и технике, М., 1951;
Источники технического связанного азота, М., 1951;
Массопсредача в процессе пленочной абсорбции, «Химическая промышленность», 1951, № 8; 1953, № 4 (совм. с В. А. Мамосовым и Н. А. Малафеевым);
Разделение смесей методом молекулярной перегонки (дистилляции), в книге: Методы и процессы химической технологии. Сборник 1, М.—Л., 1955 (совм. с А. И. Майером);
Некоторые физико-химические константы тяжелокислородной воды, в книге: Применение меченых атомов в аналитической химии, М., 1955 (совм. с О. В. Уваровым и H. H. Севрюговой);
Промышленный метод получения концентратов тяжелого изотопа азота, «Химическая промышленность», 1955, № 7 (совм. с С. И. Бабковым);
Массообмен в процессе пленочной ректификации, «Доклады АН СССР», 1955, т. 105, № 4 и 5 (совм. с В. А. Мамосовым и H. H. Умником);
Исследование ректификации в колоннах с вращающимся ротором, там же, 1956, т. 106, № 1 (совм. с В. А. Мамосовым и H. H. Умником);
↑Выпускники Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева / академик РАН П.Д. Саркисов. — Москва: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2001. — С. 35. — 147 с. — ISBN 5-7237-0321-8.
Богуненко Н. Н., Пелипенко А. Д., Соснин Г. А.Жаворонков Николай Михайлович // Герои атомного проекта. — Саров: Росатом, 2005. — С. 140—137. — ISBN 5-9515-0005-2.
Будрейко Е. Н., Жуков А. П. Профессора Университета Менделеева: XX век / Под общ. ред. академика Саркисова П. Д..-М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2006. 756 с.
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева — прошлое и настоящее со взглядом в будущее. — М., 2002. — 552 с. ISBN 5-8122-0302-4