Procesul sol- gel este o tehnologie de materiale, inclusiv nanomateriale, inclusiv producerea unui sol cu transferul său ulterior într-un gel , adică într-un sistem coloidal constând dintr-un mediu de dispersie lichid închis într-o rețea spațială formată din particule conectate. a fazei dispersate.
Denumirea „proces sol-gel” reunește un grup mare de metode pentru obținerea (sinteza) materialelor din soluții, un element esențial al cărora este formarea unui gel într-una dintre etapele procesului. Cea mai cunoscută variantă a procedeului sol-gel se bazează pe procesele de hidroliză controlată a compuşilor, de obicei alcoxizi M(OR) x (M = Si , Ti , Zr, V, Zn, Al, Sn, Ge, Mo , W etc.) sau clorurile corespunzătoare, într-un mediu apos sau organic, adesea alcoolic.
În prima etapă a procesului sol-gel, reacțiile de hidroliză și policondensare duc la formarea unei soluții coloidale - un sol - particule de hidroxid, a căror dimensiune nu depășește câteva zeci de nm. O creștere a concentrației volumice a fazei dispersate sau orice altă modificare a condițiilor externe ( pH , înlocuirea solventului) duce la formarea intensă de contacte între particule și formarea unui gel monolitic în care moleculele de solvent sunt închise într-un strat flexibil, dar destul de stabil. rețea tridimensională formată din particule de hidroxid. Solii sunt concentrați cu gelificarea ulterioară prin dializă, ultrafiltrare, electrodializă, evaporare la temperaturi relativ scăzute sau extracție.
Un rol extrem de important în procesul sol-gel îl joacă procesele de îndepărtare a solventului din gel (uscare). În funcție de metoda de implementare a acestora, pot fi obținute diverse produse de sinteză ( xerogeluri , ambigeluri , criogeluri , aerogeluri ), ale căror proprietăți sunt descrise în secțiunile relevante. Caracteristicile comune ale acestor produse sunt conservarea elementelor structurale nanodimensionate și valori destul de ridicate ale suprafeței specifice (sute de m²/g), deși densitatea în vrac poate diferi de sute de ori. Majoritatea produselor de sinteză sol-gel sunt utilizate ca precursori în prepararea nanopulberilor de oxid, a filmelor subțiri sau a ceramicii. Metoda sol-gel este eficientă și pentru obținerea de xerogeluri cu o structură cvasi-unidimensională pronunțată. De exemplu, xerogelul V 2 O 5 nH 2 O este baza pentru sinteza nanotuburilor de oxid de vanadiu .
Varietăți ale metodei sol-gel, unii autori includ procesul polimer-gel, în care formarea gelului se realizează prin introducerea unui polimer solubil în apă în soluția inițială, urmată de evaporare, și metoda Pechini (citrat-gel). Sublimarea sau uscarea supercritică a gelurilor polimerice urmată de tratament termic în atmosferă inertă este utilizată pentru a obține criogeluri și aerogeluri de carbon.
Clasificarea sistemelor poroase se bazează pe fenomenul de condensare capilară [1] . Conform acestei clasificări, porii în care are loc condensarea capilară (și pot fi măsurați) se numesc mezopori. Porii mai mari sunt numiți macropori, iar porii mai mici sunt denumiți micropori. Macroporii includ sisteme spongioase și corpusculare cu o dimensiune a porilor > 50 nm. Microporii au dimensiuni <2 nm, mezoporii [2, 50] nm.
Dacă luăm în considerare porii în contextul transportului membranar al materiei, atunci se folosește o altă clasificare: membranele microporoase sunt membrane cu dimensiunea porilor <500 nm, în timp ce cele macroporoase sunt >500 nm. Astfel, dacă diametrul porilor este mult mai mic decât calea liberă medie a moleculelor, curgerea Knudsen este realizată, atunci când probabilitatea de coliziune a moleculelor este mai mică decât probabilitatea de coliziune a acestora cu peretele porului și reflectarea din acesta.
Materialele oxidice anorganice au rezistență ridicată, stabilitate termică și rezistență chimică, astfel încât domeniul lor de aplicare este mult mai larg decât cel al polimerilor. Prin metoda sol-gel se pot obține materiale oxidice de înaltă puritate și omogene. Când se utilizează alcoxizi , produsul este mai pur și mai omogen.
Tranziția sol-gel este inițiată prin reacții paralele: hidroliză și policondensare. Ca rezultat al hidrolizei alcoxisilanilor, gruparea alcoxid este înlocuită cu o grupare hidroxil. Hidroliza se realizează cu ajutorul catalizatorilor (acizi minerali, o soluție apoasă de amoniac, acid acetic, amine, fluoruri de metale alcaline etc.) - sunt mai eficienți ca catalizatori decât bazele. În procesul de policondensare, se formează legături
Metal - O - Metal
iar produsele secundare sunt apa sau alcoolul. Policondensarea duce la creșterea oligomerilor de oxid de metal, care în cele din urmă formează o rețea de gel. După uscarea și tratamentul termic al gelului, se pot obține materiale oxidice amorfe și cristaline sub formă de pelicule, fibre sau pulberi. Probele vrac de geluri crapă în timpul uscării sub acțiunea forțelor de presiune capilare, iar pentru a obține blocuri monolitice, această operație trebuie efectuată în condiții supercritice. În acest caz se obțin aerogeluri a căror porozitate poate ajunge la 90% [3] .