Sooli -geeli -prosessi on materiaalitekniikka , mukaan lukien nanomateriaalit, mukaan lukien soolin valmistus, jonka jälkeen se siirretään geeliksi , eli kolloidiseen järjestelmään, joka koostuu nestemäisestä dispersioväliaineesta, joka on suljettu yhdistettyjen hiukkasten muodostamaan spatiaaliseen verkkoon. dispergoidusta faasista.
Nimi "sooli-geeliprosessi" yhdistää suuren joukon menetelmiä materiaalien saamiseksi (synteesi) liuoksista, joiden olennainen osa on geelin muodostus yhdessä prosessin vaiheista. Sooli-geeliprosessin tunnetuin muunnelma perustuu yhdisteiden, tavallisesti alkoksidien M(OR) x (M = Si , Ti , Zr, V, Zn, Al, Sn, Ge, Mo ) kontrolloidun hydrolyysin prosesseihin. , W jne.) tai vastaavia klorideja vesipitoisessa tai orgaanisessa, usein alkoholissa, väliaineessa.
Sooli-geeliprosessin ensimmäisessä vaiheessa hydrolyysi- ja polykondensaatioreaktiot johtavat kolloidisen liuoksen - sooli -hydroksidihiukkasten muodostumiseen, joiden koko ei ylitä useita kymmeniä nm. Dispergoituneen faasin tilavuuspitoisuuden kasvu tai mikä tahansa muu muutos ulkoisissa olosuhteissa ( pH , liuottimen korvaaminen) johtaa voimakkaaseen kontaktien muodostumiseen hiukkasten välillä ja monoliittisen geelin muodostumiseen, jossa liuotinmolekyylit ovat suljettuina joustavaan, mutta melko vakaaseen kolmiulotteinen verkko, jonka muodostavat hydroksidihiukkaset. Solit konsentroidaan ja sen jälkeen geeliytetään dialyysillä, ultrasuodatuksella, sähködialyysillä, haihduttamalla suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa tai uuttamalla.
Erittäin tärkeä rooli sooli-geeliprosessissa on prosesseilla, joissa liuotinta poistetaan geelistä (kuivaus). Niiden toteutusmenetelmästä riippuen voidaan saada erilaisia synteesituotteita ( kserogeelit , ambigelit , kryogeelit , aerogeelit ), joiden ominaisuudet on kuvattu asiaa koskevissa kohdissa. Näiden tuotteiden yhteisiä piirteitä ovat nanokokoisten rakenneosien säilyvyys ja ominaispinnan melko korkeat arvot (satoja m²/g), vaikka irtotiheys voi vaihdella satoja kertoja. Suurin osa sooli-geeli-synteesituotteista käytetään esiasteena oksidinanojauheiden, ohutkalvojen tai keramiikan valmistuksessa. Sooli-geeli-menetelmä on tehokas myös sellaisten kserogeelien saamiseksi, joilla on selvä näennäinen yksiulotteinen rakenne. Esimerkiksi V 2 O 5 nH 2 O kserogeeli on pohjana vanadiinioksidinanoputkien synteesille .
Sooli-geeli-menetelmän lajikkeita, jotkut kirjoittajat sisältävät polymeeri-geeliprosessin, jossa geelin muodostus saadaan aikaan lisäämällä vesiliukoinen polymeeri alkuperäiseen liuokseen, jota seuraa haihdutus, ja Pechini-menetelmä (sitraattigeeli). Polymeerigeelien sublimaatiota tai ylikriittistä kuivaamista, jota seuraa lämpökäsittely inertissä ilmakehässä, käytetään hiilikryogeelien ja aerogeelien saamiseksi.
Huokoisten järjestelmien luokittelu perustuu kapillaarikondensaation ilmiöön [1] . Tämän luokituksen mukaan huokosia, joissa tapahtuu kapillaarikondensaatiota (ja voidaan mitata), kutsutaan mesohuokoisiksi. Suurempia huokosia kutsutaan makrohuokosiksi ja pienempiä huokosiin kutsutaan mikrohuokosiksi. Makrohuokoset sisältävät sienimäisiä ja korpuskulaarisia järjestelmiä, joiden huokoskoko on > 50 nm. Mikrohuokosten koko on <2 nm, mesohuokosten [2, 50] nm.
Jos tarkastellaan huokosia aineen kalvokuljetuksen yhteydessä, käytetään toista luokitusta: mikrohuokoiset kalvot ovat kalvoja, joiden huokoskoko on < 500 nm, kun taas makrohuokoiset ovat > 500 nm. Siten, jos huokosten halkaisija on paljon pienempi kuin molekyylien keskimääräinen vapaa reitti, Knudsen-virtaus toteutuu, kun molekyylien törmäystodennäköisyys on pienempi kuin niiden törmäyksen todennäköisyys huokosseinämään ja siitä heijastumisesta.
Epäorgaanisilla oksidimateriaaleilla on korkea lujuus, lämpöstabiilisuus ja kemiallinen kestävyys, joten niiden soveltamisala on paljon laajempi kuin polymeerien. Erittäin puhtaita ja homogeenisia oksidimateriaaleja voidaan saada sooli-geeli -menetelmällä. Käytettäessä alkoksideja tuote on puhtaampi ja homogeenisempi.
Sooli-geeli-siirtymä käynnistyy rinnakkaisilla reaktioilla: hydrolyysillä ja polykondensaatiolla. Alkoksisilaanien hydrolyysin seurauksena alkoksidiryhmä korvataan hydroksyyliryhmällä. Hydrolyysi suoritetaan katalyyttien avulla (mineraalihapot, ammoniakin vesiliuos, etikkahappo, amiinit, alkalimetallifluoridit jne.) - ne ovat tehokkaampia katalyytteinä kuin emäkset. Polykondensaatioprosessissa muodostuu sidoksia
Metalli - O - Metalli
ja sivutuotteet ovat vettä tai alkoholia. Polykondensaatio johtaa metallioksidioligomeerien kasvuun, jotka lopulta muodostavat geeliverkoston. Geelin kuivaamisen ja lämpökäsittelyn jälkeen voidaan saada amorfisia ja kiteisiä oksidimateriaaleja kalvojen, kuitujen tai jauheiden muodossa. Geelien bulkkinäytteet halkeilevat kuivauksen aikana kapillaaripainevoimien vaikutuksesta, ja monoliittisten lohkojen saamiseksi tämä toimenpide on suoritettava ylikriittisissä olosuhteissa. Tällöin saadaan aerogeelejä, joiden huokoisuus voi nousta 90 %:iin [3] .