Чому золь-гель метод настільки популярний
Курлов А. Павленко А. Пустовгар Е. Шестаков М. (ФНМ МГУ)
Перші відомості про застосування золь-гель методу для синтезу кристалічних силікатних люмінофорів відносяться до 40-м рр. XX ст. Однак цей метод не отримав широкого розвитку, і лише в кінці XX ст. став використовуватися для отримання матеріалів.
Золь-гель метод - це метод отримання матеріалів, в тому числі наноматеріалів, що включає отримання золю з подальшим переведенням його в гель (рис.1), т. Е. В колоїдну систему, що складається з рідкого дисперсійного середовища, укладеної в просторову сітку, утворену які об'єднались частинками дисперсної фази.
Загальна назва «золь-гель процес» об'єднує велику групу методів отримання (синтезу) матеріалів з розчинів, істотним елементом яких є утворення гелю на одній зі стадій процесу. В основі найбільш відомого варіанту золь-гель процесу лежать процеси контрольованого гідролізу сполук, зазвичай алкоксиди M (OR) x (M = Si, Ti, Zr, V, Zn, Al, Sn, Ge, Mo, W та ін) або відповідних хлоридів , у водному або органічної, частіше спиртової, середовищі.
На першій стадії золь-гель процесу реакції гідролізу і поліконденсації призводять до утворення колоїдного розчину - золю - частинок гідроксидів, розмір яких не перевищує кілька десятків нм. Збільшення об'ємної концентрації дисперсної фази або інша зміна зовнішніх умов (рН, заміна розчинника) призводять до інтенсивного утворення контактів між частинками і утворенню монолітного гелю, в якому молекули розчинника укладені в гнучку, але досить стійку тривимірну сітку, утворену частинками гідроксидів. Концентрування золів з подальшим гелеобразования здійснюють шляхом діалізу, ультрафільтрації, електродіаліз, упарювання при відносно низьких температурах або екстракції.
Чому ж золь - гель метод настільки популярний?
Основна перевага золь-гель методу полягає у високому ступені гомогенізації вихідних компонентів. Це досягається завдяки розчиненню солей і оксидів вихідних речовин в початковому розчині.
Золь-гель метод в порівнянні з традиційною схемою синтезу речовин володіє спрощеної технологічною схемою синтезу. Даний метод дозволяє досягти зниження енерговитрат і високого ступеня чистоти продуктів на всіх стадіях синтезу при мінімумі витрат на її досягнення. Стає можливим отримання даним методом продуктів, які характеризуються: монофазной кристалічною структурою, що володіє високим ступенем досконалості; строго стехиометрическим складом; відсутністю сторонніх фаз.
Виключно важливу роль в золь-гель процесі відіграють процеси видалення розчинника з гелю (сушіння). Залежно від способу їх здійснення можуть бути отримані різні продукти синтезу (ксерогелі, амбігелі, Криогель, аерогелі). Спільними рисами цих продуктів є збереження нанорозмірів структурних елементів і досить високі значення питомої поверхні (сотні м 2 / г), хоча об'ємна щільність може відрізнятися в сотні разів. Більшість продуктів золь-гель синтезу використовується в якості прекурсорів при отриманні оксидних нанопорошків, тонких плівок або кераміки. Золь-гель метод ефективний також для отримання ксерогелей з вираженою квазіодномірних структурою. Так, наприклад, ксерогель V2O5 · nH2O є основою для синтезу нанотрубок оксиду ванадію.
Золь-гель метод дозволяє отримувати тонкі кварцові скла при значно нижчій температурі (1250 оС) минаючи наступні стадії: варіння скла, наплавку булей, різання скла на пластини.
Таким чином, все вище перераховане і робить золь-гель метод настільки популярним.
Беззубов С.І. Воробйова Н.А. Єфімов О.О. (хімічний факультет)
Традиційно під золь-гель методом розуміють сукупність стадій, що включає приготування розчину прекурсору, послідовний переклад його спочатку в золь, а потім в гель за рахунок процесів гідролізу і конденсації, подальше старіння, висушування і термообробку продукту. Однак останнім часом цей термін часто використовується для позначення процесів, в яких відсутня одна з цих стадій [1]. Іноді в сучасній літературі золі поділяють на колоїдні (тверда дисперсна фаза утворена частинками) і полімерні (сформовані на основі розгалужених макромолекул) [2].
Популярність класичного варіанту золь-гель методу пов'язана в першу чергу з тим, що одержувані матеріали мають ряд унікальних властивостей [1]. Це висока хімічна однорідність одержуваних продуктів, що дозволяє істотно знизити температуру і тривалість термообробки для отримання функціональної кераміки, можливість контролювати розмір частинок і структуру пір матеріалів на різних стадіях синтезу (за рахунок зміни тривалості реакції, температури, концентрації та хімічного складу реагентів), змінювати реологічні властивості дисперсної системи в широких межах [3-6]. Особливо важливими для отримання наноструктур із заданими характеристиками є процеси утворення конденсованих форм при гідролізі прекурсорів, ця стадія визначає морфологію і фазовий склад одержуваних продуктів [7]. Так, при утворенні золів розподіл наночастинок за розмірами визначається тривалістю освіти зародків. Як правило, розмір нанокристалів зростає зі збільшенням тривалості реакції і з підвищенням температури [1]. Обробка гелів кремнезему різними реагентами (кислотами, формамідом) використовується для управління їх пористою структурою. Під даними електронної мікроскопії, «мокрий» гель складається з агрегованих первинних частинок, діаметр яких залежить від величини pH осадження золю. При величині pH осадження від 1 до 2 діаметр частинок становить приблизно 2¸3 нм, при pH> 3 він збільшується до 5¸8 нм. Ксерогелі, отримані при осадженні гідрогелю в лужному середовищі, містять частинки діаметром від 21 до 26 нм [3].
Використання золь-гель методу дозволяє отримувати принципово нові матеріали, такі, як органо-неорганічні гібридні матеріали, нові види стекол, керамік і т.д. Основні види продукції, одержувані золь-гель методом, і їх головні переваги наводяться в табл. 1.
Таблиця 1. Основні види продукції, одержувані золь-гель методом [2,3]
Змішані (органо-неорганічні) сітки з органічними і неорганічними модифікаторами
Одним з найбільш істотних переваг золь-гель методу є те, що механічні властивості золів і гелів дозволяють застосовувати їх для отримання волокон, плівок і композитів шляхом нанесення золю на підкладку або просочення пористого матеріалу [1, 8]. Нанорозмірні плівки (30-200 нм), що використовуються в планарной технології мікроелектроніки, отримують з золів методом центрифугування. Найбільшого поширення такі плівки отримали в якості джерел діффузант. Новим перспективним напрямком є їх застосування в якості каталітичних покриттів напівпровідникових газових сенсорів, мембран з іммобілізованими органічними молекулами для рідинних і газових сенсорів, мембран паливних елементів, а також основних чутливих елементів металооксидних газових сенсорів [2, 9, 10]. Золь-гель технологія дозволяє проводити багато технологічних процесів в регульованих умовах. Наприклад, успішно функціонують захисні, ізолюючі, планарізірующіе і гетерні плівки можна формувати вже при температурі 250-450 ° С [2]. Також метод дозволяє наносити плівки на поверхні різної форми [9].
Золь-гель процес часто використовують для отримання пористих матеріалів, які застосовують в якості сорбентів, каталізаторів або носіїв каталізаторів [11]. Наприклад, в роботі [12] були отримані макропористі плівки ZnO золь-гель методом з використанням поліетиленгліколю (органічний темплатів), ацетату цинку (прекурсор), етанолу (розчинник) і NH (C2 H2 OH) 2 (хелатуючий агент). Також можливе отримання мікропористих матеріалів з максимальною питомою площею поверхні близько 200 м 2 / г.
Золь-гель метод дає можливість досить просто в одностадійному процесі отримувати композиційні матеріали. Наприклад, отримані модифіковані оксидні і змішані оксидні матеріали для розробки нелінійних оптичних пристроїв [2]. Золь-гель метод часто використовується для отримання допійованих оксидів, дозволяє змінювати в широких межах концентрацію допіру елемента і морфологію утворюється матеріалу [13-15]. Знайдено оптимальні умови отримання композитів «пористе скло - полімер», що дозволяють синтезувати зразки, які за своєю прозорістю не поступається оргскла, але відрізняються більш високою механічною міцністю, температурної та радіаційної стійкістю. Дослідження можливостей отримання золь-гельних покриттів з SiO2 на різних видах нержавіючої сталі показали, що отримані плівки служать ефективним захисним покриттям від окислення і кислотної корозії [2, 16].
Перетворення золів в гелі - основа новітніх нанотехнологій отримання світловодів, керамічних ультрафільтраційних мембран, оптичних і антикорозійного покриття, фотоматеріалів, високодисперсних абразивів та інших матеріалів з унікальними властивостями і регульованою структурою [3, 17-18]. Золь-гель процеси лежать в основі гідротермальної обробки кремнеземутримуючі сировини і перспективні для розвитку технологій скляної промисловості [3].
Середній бал: 9.2 (голосів 4)
Досвід навчання в області нанотехнологічного технопідприємництво
У цьому опитуванні ми просимо поділитися досвідом і Вашим ставленням до нанотехнологічної технопідприємництво і суміжних галузей. Заранее спасибо за Вашу небайдужість!
Проектна робота
Сьогодні стає все більш популярною так звана проектна робота школярів, однак на цей рахунок є дуже різні думки. Ми були б вдячні, якби Ви висловили коротко свою думку з цього приводу шляхом голосування. Заздалегідь вдячні!