โซล-เจลและเคมีแบบอ่อน

โซล-เจลและเคมีแบบอ่อนเป็นกระบวนการสารละลายที่อุณหภูมิต่ำซึ่งสร้างของแข็งออกไซด์และของแข็งลูกผสมโดยการไฮโดรไลซิสและการควบแน่นของสารตั้งต้นระดับโมเลกุล ทำให้ได้วัสดุที่มีความละเอียด เป็นเนื้อเดียวกัน และมักจะมีโครงสร้างระดับนาโน

Definition

กระบวนการโซล-เจลคือการสังเคราะห์โครงข่ายออกไซด์ของแข็งหรือโครงข่ายลูกผสมจากสารตั้งต้นระดับโมเลกุลผ่านคอลลอยด์โซลที่กลายเป็นเจลเป็นของแข็งที่มีรูพรุน; เคมีแบบอ่อนคือชุดของวิธีการสารละลายและโทโพแทกติกแบบอ่อนโยนที่อุณหภูมิต่ำที่ใช้ในการสร้างวัสดุอนินทรีย์ที่กว้างขึ้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเคมีของกระบวนการโซล-เจล — การเปลี่ยนสารตั้งต้นประเภทโลหะอัลคอกไซด์หรือเกลือให้เป็นคอลลอยด์โซลก่อน จากนั้นจึงเป็นโครงข่ายเจลต่อเนื่องผ่านการไฮโดรไลซิสและการควบแน่น — และกระบวนการเคมีแบบอ่อน (chimie douce) ที่กว้างขึ้นซึ่งทำงานที่อุณหภูมิใกล้ห้องปฏิบัติการ โดยจะกล่าวถึงวิธีการที่กระบวนการควบคุมความพรุนและโครงสร้างจุลภาค การก่อตัวของแอโรเจลและซีโรเจล การเคลือบและเส้นใย และวัสดุลูกผสมอินทรีย์-อนินทรีย์

Core questions

• การไฮโดรไลซิสและการควบแน่นเปลี่ยนสารตั้งต้นให้เป็นโครงข่ายเจลได้อย่างไร?
• กระบวนการควบคุมความพรุนและโครงสร้างจุลภาคได้อย่างไร?
• โซล-เจลช่วยให้เกิดรูปแบบวัสดุใดบ้าง — ฟิล์ม, เส้นใย, โมโนลิธ, แอโรเจล?
• เหตุใดกระบวนการเคมีแบบอ่อนจึงสามารถเข้าถึงวัสดุที่วิธีการอุณหภูมิสูงไม่สามารถทำได้?

Key concepts

• การไฮโดรไลซิสและการควบแน่น
• การเปลี่ยนสถานะโซลและเจล
• การเกิดเจลและการบ่ม
• แอโรเจลและซีโรเจล
• การเคลือบแบบจุ่มและการเคลือบแบบหมุน
• สารลูกผสมอินทรีย์-อนินทรีย์

Key theories

การเกิดพอลิเมอร์จากการไฮโดรไลซิสและการควบแน่น

โลหะอัลคอกไซด์จะไฮโดรไลซ์เป็นสารประกอบไฮดรอกซิเลตซึ่งจะควบแน่นเป็นสะพานโลหะ-ออกซิเจน-โลหะ สร้างโซลของอนุภาคคอลลอยด์หรือพอลิเมอร์ก่อน จากนั้นจึงสร้างโครงข่ายเจลที่เชื่อมโยงกัน; อัตราสัมพัทธ์ของขั้นตอนเหล่านี้จะควบคุมโครงสร้างและความพรุน

เคมีแบบอ่อนและการควบคุมโครงสร้าง

การทำงานที่อุณหภูมิต่ำ กระบวนการเคมีแบบอ่อนจะรักษาสภาพการเชื่อมต่อของสารตั้งต้นและให้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นเนื้อเดียวกัน มีขนาดเกรนละเอียด และมักจะไม่เสถียร ทำให้สามารถควบคุมโครงสร้างและองค์ประกอบได้ ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยการสังเคราะห์สมดุลที่อุณหภูมิสูง

Mechanisms

น้ำจะเข้าทำปฏิกิริยากับพันธะโลหะอัลคอกไซด์เพื่อสร้างหมู่ไฮดรอกซิล ซึ่งจะควบแน่นโดยการปล่อยน้ำหรือแอลกอฮอล์เพื่อสร้างพันธะออกไซด์เชื่อมโยง; การควบแน่นซ้ำๆ จะเชื่อมโยงโครงข่ายที่กำลังเติบโตเข้าด้วยกันเป็นเจล หลังจากนั้นการทำให้แห้งและการบำบัดด้วยความร้อนจะกำจัดตัวทำละลายและทำให้ของแข็งมีความหนาแน่นมากขึ้น

Clinical relevance

โซล-เจลและเคมีแบบอ่อนผลิตสารเคลือบทางแสงและสารเคลือบป้องกัน, แก้วบริสุทธิ์สูงและผงเซรามิก, แอโรเจลความหนาแน่นต่ำสำหรับฉนวน, ตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา, และวัสดุลูกผสมที่รวมความแข็งแรงของอนินทรีย์เข้ากับฟังก์ชันการทำงานของอินทรีย์ ซึ่งมักจะทำได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่ากระบวนการทั่วไปมาก

History

เคมีโซล-เจลมีรากฐานมาจากการสังเกตในศตวรรษที่ 19 ว่าซิลิคอนอัลคอกไซด์ไฮโดรไลซ์เป็นซิลิกาเจล แต่พัฒนาเต็มที่ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 ให้เป็นกระบวนการควบคุมสำหรับการผลิตแก้ว เซรามิก และสารเคลือบ ซึ่งได้รับการจัดระบบโดย Brinker และ Scherer Livage และคนอื่นๆ ได้จัดกรอบแนวคิดนี้ให้อยู่ภายใต้แนวคิดที่กว้างขึ้นของ chimie douce ซึ่งเป็นเคมีแบบอ่อนโยนสำหรับการออกแบบวัสดุอนินทรีย์และวัสดุลูกผสม

Key figures

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

Seminal works

• brinker1990
• rao1997

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างโซลกับเจลคืออะไร?

โซลคือการกระจายตัวที่เสถียรของอนุภาคคอลลอยด์หรือพอลิเมอร์ในของเหลว เมื่อการควบแน่นเชื่อมโยงสิ่งเหล่านี้เข้าด้วยกันเป็นโครงข่ายต่อเนื่องที่ครอบคลุมภาชนะ ของเหลวจะถูกกักเก็บไว้และระบบจะกลายเป็นเจล — ซึ่งเป็นโครงข่ายของแข็งที่เต็มไปด้วยตัวทำละลาย

แอโรเจลทำมาจากเจลได้อย่างไร?

แอโรเจลผลิตขึ้นโดยการกำจัดของเหลวออกจากเจลเปียกโดยไม่ทำให้โครงข่ายยุบตัว ซึ่งโดยทั่วไปทำได้โดยการทำให้แห้งแบบวิกฤตยิ่งยวด เพื่อไม่ให้เกิดรอยต่อระหว่างของเหลวกับไอ ซึ่งจะช่วยรักษาสภาพโครงสร้างที่มีรูพรุนสูงและเปิดกว้าง ทำให้ได้ของแข็งที่มีความหนาแน่นต่ำมาก