El proceso sol -gel es una tecnología de materiales, incluidos los nanomateriales, que incluye la producción de un sol con su posterior transferencia a un gel , es decir, a un sistema coloidal que consiste en un medio de dispersión líquido encerrado en una rejilla espacial formada por partículas conectadas. de la fase dispersa.
El nombre "proceso sol-gel" reúne un gran grupo de métodos para la obtención (síntesis) de materiales a partir de soluciones, un elemento esencial de los cuales es la formación de un gel en una de las etapas del proceso. La variante más conocida del proceso sol-gel se basa en los procesos de hidrólisis controlada de compuestos, normalmente alcóxidos M(OR) x (M = Si , Ti , Zr, V, Zn, Al, Sn, Ge, Mo , W, etc.) o los correspondientes cloruros, en medio acuoso u orgánico, a menudo alcohólico.
En la primera etapa del proceso sol-gel, las reacciones de hidrólisis y policondensación conducen a la formación de una solución coloidal, un sol, partículas de hidróxido, cuyo tamaño no supera varias decenas de nm. Un aumento en la concentración de volumen de la fase dispersa o cualquier otro cambio en las condiciones externas ( pH , reemplazo de solvente) conduce a una intensa formación de contactos entre partículas y la formación de un gel monolítico en el que las moléculas de solvente están encerradas en una estructura flexible pero bastante estable. red tridimensional formada por partículas de hidróxido. Los soles se concentran con posterior gelificación por diálisis, ultrafiltración, electrodiálisis, evaporación a temperaturas relativamente bajas o extracción.
Los procesos de eliminación del disolvente del gel (secado) desempeñan un papel extremadamente importante en el proceso sol-gel. Dependiendo del método de su implementación, se pueden obtener varios productos de síntesis ( xerogeles , ambigeles , criogeles , aerogeles ), cuyas propiedades se describen en las secciones correspondientes. Las características comunes de estos productos son la conservación de elementos estructurales nanométricos y valores bastante altos de la superficie específica (cientos de m²/g), aunque la densidad aparente puede diferir en cientos de veces. La mayoría de los productos de síntesis sol-gel se utilizan como precursores en la preparación de nanopolvos de óxido, películas delgadas o cerámicas. El método sol-gel también es efectivo para obtener xerogeles con una estructura casi unidimensional pronunciada. Por ejemplo, el xerogel V 2 O 5 nH 2 O es la base para la síntesis de nanotubos de óxido de vanadio .
Variedades del método sol-gel, algunos autores incluyen el proceso polímero-gel, en el que la formación de gel se logra mediante la introducción de un polímero soluble en agua en la solución inicial, seguido de evaporación, y el método Pechini (citrato-gel). La sublimación o secado supercrítico de geles poliméricos seguido de tratamiento térmico en atmósfera inerte se utiliza para obtener criogeles y aerogeles de carbono.
La clasificación de los sistemas porosos se basa en el fenómeno de la condensación capilar [1] . De acuerdo con esta clasificación, los poros en los que se produce (y se puede medir) la condensación capilar se denominan mesoporos. Los poros más grandes se denominan macroporos y los poros más pequeños se denominan microporos. Los macroporos incluyen sistemas esponjosos y corpusculares con un tamaño de poro >50 nm. Los microporos tienen tamaños <2 nm, los mesoporos [2, 50] nm.
Si consideramos los poros en el contexto del transporte de materia por membranas, entonces se utiliza otra clasificación: las membranas microporosas son membranas con un tamaño de poro de <500 nm, mientras que las macroporosas son >500 nm. Por lo tanto, si el diámetro del poro es mucho más pequeño que el camino libre medio de las moléculas, el flujo de Knudsen se realiza cuando la probabilidad de colisión de las moléculas es menor que la probabilidad de su colisión con la pared del poro y su reflexión.
Los materiales de óxido inorgánico tienen alta resistencia, estabilidad térmica y resistencia química, por lo que su alcance es mucho más amplio que el de los polímeros. Se pueden obtener materiales de óxido homogéneos y de alta pureza mediante el método sol-gel. Al utilizar alcóxidos , el producto es más puro y homogéneo.
La transición sol-gel se inicia por reacciones paralelas: hidrólisis y policondensación. Como resultado de la hidrólisis de los alcoxisilanos, el grupo alcóxido se reemplaza por un grupo hidroxilo. La hidrólisis se lleva a cabo con la ayuda de catalizadores (ácidos minerales, una solución acuosa de amoníaco, ácido acético, aminas, fluoruros de metales alcalinos, etc.): son más efectivos como catalizadores que las bases. En el proceso de policondensación se forman enlaces
Metal - O - Metal
y los subproductos son agua o alcohol. La policondensación conduce al crecimiento de oligómeros de óxidos metálicos, que finalmente forman una red de gel. Después del secado y tratamiento térmico del gel, se pueden obtener materiales de óxido amorfos y cristalinos en forma de películas, fibras o polvos. Las muestras a granel de geles se agrietan durante el secado bajo la acción de fuerzas de presión capilar, y para obtener bloques monolíticos, esta operación debe realizarse en condiciones supercríticas. En este caso se obtienen aerogeles cuya porosidad puede alcanzar el 90% [3] .