Техника Sol-Gel

Одной из часто применяемых для получения наночастиц техник является Sol-Gel (читать ли это по-русски "золь-гель", по-английски "сол-джел", или как-то еще - решите сами). Концептуально техника Sol-Gel чрезвычайно проста и ее можно разделить на несколько шагов:

1. Выбираем химическую реакцию, в которой реагирующие вещества растворимы в данном растворителе, а продукт их взаимодействия нерастворим.

2. При очень интенсивном перемешивании сливаем вместе растворы реагирующих веществ. Между реагентами начинается реакция, прохождение которой хорошо заметно:

Прозрачные растворы (Стадия "Solution" "раствор") мутнеют (стадия Sol) и начинают загустевать (стадия Gel)

3. По достижении желаемого загустевания реакцию останавливают (изменяя температуру, кислотность или добавляя какое-нибудь вещество, тормозящее процесс).

Выглядит синтез Sol-Gel достаточно неказисто, примерно вот так:

Синтезом Sol-Gel можно получить огромное количество веществ, но чаще всего получают оксиды металлов, например, как в клипе выше, диоксид титана TiO₂. Обычно диоксид титана получают техникой Sol-gel из какого-нибудь алкоксида, скажем, метоксида титана Ti(OCH₃)₄. Метоксид титана растворяют в безводном спирте, обычно добавляя в спирт уксусную или какую-нибудь другую кислоту - катализатор реакции гидролиза. После этого полученный раствор вливают в обычную воду при активном перемешивании. При контакте метоксида титана с водой происходит реакция гидролиза, которую упрощенно можно записать следующим образом:

Ti(OCH₃)₄ + 2H₂O → TiO₂ + 4CH₃OH

Образующийся диоксид титана практически нерастворим ни в воде, ни в спирте. Поэтому он начинает выделяться в отдельную фазу. Сначала в виде золя (легкое помутнение), потом в виде геля (студнеобразный осадок). Весь вопрос в том, сколько времени мы дадим ему для "созревания".

Примерно так же как для диоксида титана Sol-gel синтез проводится для многих других оксидов (кремния, циркония и еще половины таблицы Менделеева). Что будет с образовавшимся гелем дальше, зависит, в основном, от нашего желания. Вот несколько типовых применений:

1. Гелю дают хорошо созреть, потом сушат его, получая ксерогель. Ксерогель обжигают при высокой температуре, получая плотную керамику, которая (а) имеет нужную нам форму; (б) имеет нужную нам пористость, зависящую от того, как мы обрабатывали ксерогель; (в) имеет наноструктурное строение, что часто очень важно с точки зрения электропроводности и механических свойств.

2. Еще по ходу загустевания гель выпускают тонкой струей, которая в сухом воздухе затвердевает, превращаясь после обжига в керамическое волокно. Керамическое волокно имеет широкий спектр применений в качестве компонента композитных материалов, теплоизолятора, компонента топливных элементов и других.

3. Загустевающим гелем намазывают стержень или проволоку и сушат в печи. После высушивания получается провод в гибкой (!) керамической изоляции, которая легко выдерживает высокие температуры и агрессивные среды. Я, например, часто пользуюсь такими проводами для того, чтобы вести электрические измерения в горячем расплаве внутри печи.

4. Гель затвердевает с постепенным выделением газов. Для этого, например, сквозь затвердевающий гель пропускают струю азота. Или в систему добавляют вещества, образующие газ, например, соду или мел. В результате ксерогель получается очень пористым, создавая идеальную структуру для сорбентов - поглотителей газа, катализаторов, фильтров.

5. В систему добавляют сурфактанты, которые не дают частицам геля стать слишком крупными. В результате после сушки получается порошок керамических наночастиц, которые могут быть затем использованы в целом спектре применений.