En ciència de materials, el procés sol-gel és un mètode per produir materials sòlids a partir de petites molècules. El mètode s'utilitza per a la fabricació d'òxids metàl·lics, especialment els òxids de silici (Si) i titani (Ti). El procés implica la conversió de monòmers en solució en una solució col·loïdal ( sol) que actua com a precursor d'una xarxa integrada (o gel) de partícules discretes o polímers de xarxa. Els precursors típics són els alcòxids metàl·lics. El procés sol-gel s'utilitza per produir nanopartícules ceràmiques.
Etapes miniatura|Representació esquemàtica de les diferents etapes i rutes de la tecnologia sol-gel En aquest procediment químic, es forma un "sol" (una solució col·loïdal) que després evoluciona gradualment cap a la formació d'un sistema difàsic similar a un gel que conté tant una fase líquida com una fase sòlida, les morfologies de la qual van des de partícules discretes fins a xarxes de polímers contínues. En el cas del col·loide, la fracció volumètrica de partícules (o densitat de partícules) pot ser tan baixa que pot ser necessari eliminar una quantitat significativa de fluid inicialment perquè es reconeguin les propietats gelatinoses. Això es pot aconseguir de diverses maneres. El mètode més senzill és deixar temps perquè es produeixi la sedimentació i després abocar el líquid restant. La centrifugació també es pot utilitzar per accelerar el procés de separació de fases.
L'eliminació de la fase líquida (solvent) restant requereix un procés d'assecat, que normalment va acompanyat d'una quantitat significativa de contracció i densificació. La velocitat a la qual es pot eliminar el dissolvent ve determinada en última instància per la distribució de la porositat al gel. La microestructura final del component final estarà clarament fortament influenciada pels canvis imposats a la plantilla estructural durant aquesta fase de processament.
Posteriorment, sovint cal un tractament tèrmic, o procés de cocció, per afavorir una major policondensació i millorar les propietats mecàniques i l'estabilitat estructural mitjançant la sinterització final, la densificació i el creixement del gra. Un dels avantatges distintius d'utilitzar aquesta metodologia en comparació amb les tècniques de processament més tradicionals és que la densificació sovint s'aconsegueix a una temperatura molt més baixa.
El sol precursor es pot dipositar sobre un substrat per formar una pel·lícula (per exemple, mitjançant immersió o recobriment per centrifugació), colar-se en un recipient adequat amb la forma desitjada (per exemple, per obtenir ceràmica monolítica, vidres, fibres, membranes, aerogels) o utilitzar-se per sintetitzar pols (per exemple, microesferes, nanosferes). L'enfocament sol-gel és una tècnica barata i de baixa temperatura que permet un control precís de la composició química del producte. Fins i tot petites quantitats de dopants, com ara colorants orgànics i elements de terres rares, es poden introduir al sol i acabar dispersos uniformement en el producte final. Es pot utilitzar en el processament i la fabricació de ceràmica com a material de fosa d'inversió o com a mitjà per produir pel·lícules molt primes d'òxids metàl·lics per a diversos propòsits. Els materials derivats del sol-gel tenen diverses aplicacions en òptica, electrònica, energia, espai, (bio) sensors, medicina (per exemple, alliberament controlat de fàrmacs), materials reactius i tecnologia de separació (per exemple, cromatografia).
L'interès pel processament sol-gel es remunta a mitjans del segle XIX amb l'observació que la hidròlisi de l'ortosilicat de tetraetil (TEOS) en condicions àcides conduïa a la formació de SiO2 en forma de fibres i monòlits. La recerca sol-gel va arribar a ser tan important que a la dècada del 1990 es van publicar més de 35.000 articles a tot el món sobre el procés. miniatura|Mostres polides amb làser de 50 mm de diàmetre (Mostres F. Chaput, CNRS-Ecole Polytechnique)
Partícules i polímers El procés sol-gel és una tècnica química humida utilitzada per a la fabricació de materials tant vítrios com ceràmics. En aquest procés, el sol (o solució) evoluciona gradualment cap a la formació d'una xarxa similar a un gel que conté tant una fase líquida com una fase sòlida. Els precursors típics són els alcòxids metàl·lics i els clorurs metàl·lics, que experimenten reaccions d'hidròlisi i policondensació per formar un col·loide. L'estructura o morfologia bàsica de la fase sòlida pot variar des de partícules col·loïdals discretes fins a xarxes polimèriques contínues semblants a cadenes.
El terme col·loide s'utilitza principalment per descriure una àmplia gamma de mescles sòlid-líquid (i/o líquid-líquid), totes les quals contenen partícules sòlides (i/o líquides) diferents que es dispersen en diversos graus en un medi líquid. El terme és específic de la mida de les partícules individuals, que són més grans que les dimensions atòmiques però prou petites per exhibir moviment brownià. Si les partícules són prou grans, el seu comportament dinàmic en qualsevol període de temps en suspensió estaria governat per forces de gravetat i sedimentació. Però si són prou petites per ser col·loides, el seu moviment irregular en suspensió es pot atribuir al bombardeig col·lectiu d'una infinitat de molècules agitades tèrmicament en el medi de suspensió líquid, tal com va descriure originalment Albert Einstein a la seva dissertació. Einstein va concloure que aquest comportament erràtic es podia descriure adequadament utilitzant la teoria del moviment brownià, sent la sedimentació un possible resultat a llarg termini. Aquest rang de mida crítica (o diàmetre de partícula) normalment oscil·la entre desenes d'àngstroms (10−10 m) fins a uns pocs micròmetres (10 −6 m).
Sota certes condicions químiques (normalment en sòls catalitzats per bases), les partícules poden créixer fins a una mida suficient per convertir-se en col·loides, que es veuen afectats tant per la sedimentació com per les forces de la gravetat. Les suspensions estabilitzades d'aquestes partícules esfèriques submicromètriques poden acabar donant lloc al seu autoassemblatge, donant lloc a microestructures altament ordenades que recorden el prototip de cristall col·loïdal: òpal preciós.Allman III, R.M., Structural Variations in Colloidal Crystals, M.S. Thesis, UCLA (1983)Allman III, R.M. and Onoda, G.Y., Jr. (Unpublished work, IBM T.J. Watson Research Center, 1984) En determinades condicions químiques (normalment en sòls catalitzats per àcid), les forces interpartícules tenen prou força per causar una agregació i/o floculació considerables abans del seu creixement. La formació d'una xarxa contínua més oberta de polímers de baixa densitat presenta certs avantatges pel que fa a les propietats físiques en la formació de vidre d'alt rendiment i components de vidre/ceràmica en 2 i 3 dimensions.Sakka, S. et al., "The Sol-Gel Transition: Formation of Glass Fibers & Thin Films", J. Non-Crystalline Solids, Vol. 48, p.31 (1982)
En qualsevol cas (partícules discretes o xarxa contínua de polímers), el sol evoluciona cap a la formació d'una xarxa inorgànica que conté una fase líquida (gel). La formació d'un òxid metàl·lic implica connectar els centres metàl·lics amb ponts oxo (MOM) o hidroxo (M-OH-M), generant així polímers metall-oxo o metall-hidroxo en solució.
En ambdós casos (partícules discretes o xarxa contínua de polímers), el procés d'assecat serveix per eliminar la fase líquida del gel, donant lloc a un vidre amorf microporós o a una ceràmica microcristal·lina. Es pot realitzar un tractament tèrmic posterior (cocció) per afavorir una major policondensació i millorar les propietats mecàniques.
Amb la viscositat d'un sol ajustada a un rang adequat, es pot extreure tant fibra de vidre de qualitat òptica com fibra ceràmica refractària, que s'utilitzen per a sensors de fibra òptica i aïllament tèrmic, respectivament. A més, es poden formar pols ceràmiques uniformes d'una àmplia gamma de composició química per precipitació.
Polimerització miniatura|238x238px|Representació simplificada de la condensació induïda per hidròlisi de TEOS El procés de Stöber és un exemple ben estudiat de polimerització d'un alcòxid, concretament del TEOS. La fórmula química del TEOS ve donada per Si(OC2H5) 4, o Si(OR) 4, on el grup alquil R = C2H5. Els alcòxids són precursors químics ideals per a la síntesi sol-gel perquè reaccionen fàcilment amb l'aigua. La reacció s'anomena hidròlisi, perquè un ió hidroxil s'uneix a l'àtom de silici de la següent manera:
Si(OR) ⁴ + H₂O → HO⁻Si(OR) ⁴ + R⁻OH
Depenent de la quantitat d'aigua i catalitzador presents, la hidròlisi pot procedir fins a completar-se fins a obtenir sílice:
Si(OR) ₄ + 2 H₂O → SiO₂ + 4 R−OH
La hidròlisi completa sovint requereix un excés d'aigua i/o l'ús d'un catalitzador d'hidròlisi com l'àcid acètic o l'àcid clorhídric. Les espècies intermèdies, com ara [(OR) 2 −Si−(OH) 2 ] o [(OR) 3 −Si−(OH)], poden resultar com a productes de reaccions d'hidròlisi parcial. Els primers intermediaris resulten de dos monòmers parcialment hidrolitzats units amb un enllaç de siloxà [Si−O−Si]:
(OR) 3 −Si−OH + HO−Si−(OR) 3 → [(OR) 3 Si−O−Si(OR) 3 ] + H−O−H
o
(OR) 3 −Si−OR + HO−Si−(OR) 3 → [(OR) 3 Si−O−Si(OR) 3 ] + R−OH
Així, la polimerització s'associa amb la formació d'una xarxa unidimensional, bidimensional o tridimensional d'enllaços de siloxà [Si−O−Si] acompanyada de la producció d'espècies H−O−H i R−O−H.
Per definició, la condensació allibera una molècula petita, com ara aigua o alcohol. Aquest tipus de reacció pot continuar construint molècules que contenen silici cada cop més grans mitjançant el procés de polimerització. Així, un polímer és una molècula (o macromolècula) enorme formada a partir de centenars o milers d'unitats anomenades monòmers. El nombre d'enllaços que pot formar un monòmer s'anomena funcionalitat. La polimerització de l'alcòxid de silici, per exemple, pot conduir a una ramificació complexa del polímer, perquè un monòmer Si(OH)4 completament hidrolitzat és tetrafuncional (pot ramificar-se o enllaçar-se en 4 direccions diferents). Alternativament, sota certes condicions (per exemple, baixa concentració d'aigua), menys de 4 dels grups OR o OH (lligands) seran capaços de condensació, de manera que es produirà relativament poca ramificació. Els mecanismes d'hidròlisi i condensació, i els factors que biaixen l'estructura cap a estructures lineals o ramificades són els problemes més crítics de la ciència i la tecnologia sol-gel. Aquesta reacció s'afavoreix tant en condicions bàsiques com àcides.
Sono-Ormosil La sonicació és una eina eficient per a la síntesi de polímers. Les forces de cisallament cavitacionals, que s'estiren i trenquen la cadena en un procés no aleatori, resulten en una disminució del pes molecular i la polidispersió. A més, els sistemes multifàsics són molt eficients en dispersar-se i emulsionar-se, de manera que es proporcionen mescles molt fines. Això significa que els ultrasons augmenten la velocitat de polimerització respecte a l'agitació convencional i donen lloc a pesos moleculars més alts amb polidispersitats més baixes. Els ormosils (silicat modificat orgànicament) s'obtenen quan s'afegeix silà a la sílice derivada del gel durant el procés sol-gel. El producte és un compost a escala molecular amb propietats mecàniques millorades. Els sono-ormosils es caracteritzen per una densitat més alta que els gels clàssics, així com per una estabilitat tèrmica millorada. Per tant, una explicació podria ser l'augment del grau de polimerització.
Procés Pechini