ゾル-ゲル法とソフト化学

ゾル-ゲル法とソフト化学は、分子前駆体の加水分解と縮合により酸化物およびハイブリッド固体を構築する低温溶液経路であり、微細で均質な、しばしばナノ構造の材料をもたらします。

Definition

ゾル-ゲルプロセシングは、分子前駆体からコロイドゾルを経て多孔質固体にゲル化する固体酸化物またはハイブリッドネットワークの合成です。ソフト化学は、無機材料を製造するための穏やかな低温溶液法およびトポタクティック法のより広範なセットを指します。

Scope

このトピックでは、ゾル-ゲルプロセシングの化学、すなわち金属アルコキシドまたは塩前駆体をまずコロイドゾルに変換し、次に加水分解と縮合を通じて連続的なゲルネットワークに変換するプロセス、および室温付近で機能するより広範なソフト化学（chimie douce）経路について扱います。また、プロセシングが多孔性と微細構造をどのように制御するか、エアロゲルとキセロゲルの形成、コーティングと繊維、および有機-無機ハイブリッド材料についても論じます。

Core questions

• 加水分解と縮合は、前駆体をどのようにゲルネットワークに変換するのでしょうか？
• プロセシングは、多孔性と微細構造をどのように制御するのでしょうか？
• ゾル-ゲル法は、どのような材料形態（膜、繊維、モノリス、エアロゲル）を可能にするのでしょうか？
• ソフト化学経路が、高温法では不可能な材料へのアクセスを可能にするのはなぜでしょうか？

Key concepts

• 加水分解と縮合
• ゾルとゲルの転移
• ゲル化と熟成
• エアロゲルとキセロゲル
• ディップコーティングとスピンコーティング
• 有機-無機ハイブリッド

Key theories

加水分解と縮合重合

金属アルコキシドは加水分解して水酸化種となり、それが縮合して金属-酸素-金属架橋を形成し、まずコロイド粒子またはポリマーのゾルを構築し、次に架橋ゲルネットワークを形成します。これらの段階の相対速度が構造と多孔性を制御します。

ソフト化学と構造制御

低温で操作するソフト化学経路は、前駆体の連結性を保持し、均質で微細な、しばしば準安定な生成物をもたらします。これにより、高温平衡合成では得られない構造的および組成的な制御が可能になります。

Mechanisms

水が金属アルコキシド結合を攻撃して水酸基を形成し、これが水またはアルコールを放出して縮合し、架橋酸化物結合を生成します。繰り返される縮合により、成長するネットワークが架橋されてゲルとなり、その後、乾燥と熱処理によって溶媒が除去され、固体が緻密化されます。

Clinical relevance

ゾル-ゲル法とソフト化学は、光学コーティングや保護コーティング、高純度ガラスやセラミック粉末、断熱材用の低密度エアロゲル、触媒担体、および無機材料の堅牢性と有機材料の機能性を組み合わせたハイブリッド材料を、従来のプロセスよりもはるかに低い温度で製造します。

History

ゾル-ゲル化学は、19世紀のケイ素アルコキシドが加水分解してシリカゲルを生成するという観察にルーツがありますが、20世紀後半にガラス、セラミックス、コーティングを製造するための制御された経路として成熟し、BrinkerとSchererによって体系化されました。Livageらは、これを無機およびハイブリッド材料を設計するための穏やかな化学であるchimie douceというより広範な概念の中で位置づけました。

Key figures

• Jacques Livage
• C. Jeffrey Brinker
• John D. Mackenzie

Seminal works

• brinker1990
• rao1997

Frequently asked questions

ゾルとゲルの違いは何ですか？

ゾルは、液体中にコロイド粒子またはポリマーが安定に分散したものです。縮合によってこれらが結合し、容器全体に広がる連続的なネットワークを形成すると、液体が閉じ込められ、系はゲル、すなわち溶媒で満たされた固体ネットワークに固まります。

ゲルからエアロゲルはどのように作られるのですか？

エアロゲルは、湿潤ゲルからネットワークを崩壊させることなく液体を除去することによって製造されます。通常、超臨界乾燥によって液-蒸気界面が形成されないようにすることで、開放的で高多孔性の構造が保持され、極めて低密度の固体が得られます。