سل-ژل و شیمی نرم
سل-ژل و شیمی نرم مسیرهای محلولی با دمای پایین هستند که جامدات اکسیدی و هیبریدی را از طریق هیدرولیز و چگالش پیشسازهای مولکولی میسازند و مواد ریز، همگن و اغلب نانوساختار تولید میکنند.
Definition
فرآیند سل-ژل سنتز شبکههای اکسید جامد یا هیبریدی از پیشسازهای مولکولی از طریق یک سل کلوئیدی است که به یک جامد متخلخل ژل میشود؛ شیمی نرم مجموعه گستردهتری از روشهای ملایم، با دمای پایین محلول و توپوتاکتیک برای ساخت مواد معدنی است.
Scope
این موضوع به شیمی فرآیند سل-ژل — تبدیل آلکوکسید فلزی یا پیشسازهای نمکی ابتدا به یک سل کلوئیدی و سپس به یک شبکه ژل پیوسته از طریق هیدرولیز و چگالش — و خانواده گستردهتر مسیرهای شیمی نرم (chimie douce) که در نزدیکی دمای اتاق عمل میکنند، میپردازد. این موضوع چگونگی کنترل تخلخل و ریزساختار توسط فرآیند، تشکیل آئروژلها و گزروژلها، پوششها و الیاف، و مواد هیبریدی آلی-معدنی را بررسی میکند.
Core questions
- چگونه هیدرولیز و چگالش پیشسازها را به یک شبکه ژل تبدیل میکنند؟
- چگونه فرآیند تخلخل و ریزساختار را کنترل میکند؟
- چه اشکال مادی — فیلمها، الیاف، مونولیتها، آئروژلها — را سل-ژل امکانپذیر میسازد؟
- چرا مسیرهای شیمی نرم به موادی دسترسی میدهند که روشهای دمای بالا نمیتوانند؟
Key concepts
- هیدرولیز و پلیمریزاسیون چگالشی
- گذار سل و ژل
- ژلشدن و پیرشدن
- آئروژلها و گزروژلها
- پوششدهی غوطهوری و چرخشی
- هیبریدهای آلی-معدنی
Key theories
- هیدرولیز و پلیمریزاسیون چگالشی
- آلکوکسیدهای فلزی به گونههای هیدروکسیله هیدرولیز میشوند که به پلهای فلز-اکسیژن-فلز چگالش مییابند و ابتدا یک سل از ذرات کلوئیدی یا پلیمرها و سپس یک شبکه ژل گسترده را میسازند؛ نرخهای نسبی این مراحل ساختار و تخلخل را کنترل میکنند.
- شیمی ملایم (Chimie douce) و کنترل ساختاری
- مسیرهای شیمی نرم که در دمای پایین عمل میکنند، اتصال پیشساز را حفظ کرده و محصولات همگن، ریزدانه و اغلب متاپایدار تولید میکنند، که امکان کنترل ساختاری و ترکیبی را فراهم میآورد که در سنتز تعادلی با دمای بالا در دسترس نیست.
Mechanisms
آب به پیوندهای آلکوکسید فلزی حمله میکند تا گروههای هیدروکسیل را تشکیل دهد، که با آزاد کردن آب یا الکل چگالش مییابند تا پیوندهای اکسیدی پلزننده ایجاد کنند؛ چگالش مکرر، شبکه در حال رشد را به یک ژل متصل میکند، پس از آن خشک کردن و عملیات حرارتی حلال را حذف کرده و جامد را متراکم میکنند.
Clinical relevance
سل-ژل و شیمی نرم پوششهای نوری و محافظ، شیشههای با خلوص بالا و پودرهای سرامیکی، آئروژلهای با چگالی پایین برای عایقکاری، پشتیبانهای کاتالیزور، و مواد هیبریدی که استحکام معدنی را با عملکرد آلی ترکیب میکنند، اغلب در دماهای بسیار پایینتر از فرآیندهای معمولی تولید میکنند.
History
شیمی سل-ژل ریشههایی در مشاهدات قرن نوزدهم دارد که آلکوکسیدهای سیلیسیوم به ژلهای سیلیسی هیدرولیز میشوند، اما در اواخر قرن بیستم به یک مسیر کنترلشده برای شیشهها، سرامیکها و پوششها تبدیل شد که توسط برینکر و شرر کدگذاری شد. لیواژ و دیگران آن را در مفهوم گستردهتر شیمی ملایم (chimie douce)، شیمی ملایم برای طراحی مواد معدنی و هیبریدی، چارچوببندی کردند.
Key figures
- Jacques Livage
- C. Jeffrey Brinker
- John D. Mackenzie
Related topics
Seminal works
- brinker1990
- rao1997
Frequently asked questions
- تفاوت بین سل و ژل چیست؟
- سل یک پراکندگی پایدار از ذرات کلوئیدی یا پلیمرها در یک مایع است. هنگامی که چگالش این ذرات را به یک شبکه پیوسته که ظرف را در بر میگیرد، به هم متصل میکند، مایع به دام افتاده و سیستم به یک ژل — یک شبکه جامد پر از حلال — تبدیل میشود.
- آئروژل چگونه از ژل ساخته میشود؟
- آئروژل با حذف مایع از یک ژل مرطوب بدون فروپاشی شبکه آن، معمولاً با خشک کردن فوق بحرانی به گونهای که هیچ رابط مایع-بخار تشکیل نشود، تولید میشود. این کار ساختار باز و بسیار متخلخل را حفظ میکند و یک جامد با چگالی بسیار پایین ایجاد میکند.