સોલ-જેલ પ્રક્રિયાઓ પર સોનોકેમિકલ અસરો

અલ્ટ્રાફાઇન નેનો-કદના કણો અને ગોળાકાર આકારના કણો, પાતળા ફિલ્મ કોટિંગ, ફાઇબર, છિદ્રાળુ અને ગાઢ સામગ્રી તેમજ અત્યંત છિદ્રાળુ એરોજેલ્સ અને ઝેરોજેલ્સ ઉચ્ચ કાર્યક્ષમ સામગ્રીના વિકાસ અને ઉત્પાદન માટે અત્યંત સંભવિત ઉમેરણો છે. અદ્યતન સામગ્રીઓ, જેમ કે સિરામિક્સ, અત્યંત છિદ્રાળુ, અલ્ટ્રાલાઇટ એરોજેલ્સ અને કાર્બનિક-અકાર્બનિક હાઇબ્રિડને કોલોઇડલ સસ્પેન્શન અથવા પોલિમરમાંથી સોલ-જેલ પદ્ધતિ દ્વારા પ્રવાહીમાં સંશ્લેષણ કરી શકાય છે. સામગ્રી અનન્ય લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે, કારણ કે પેદા થયેલ સોલ કણો નેનોમીટરના કદમાં શ્રેણીબદ્ધ છે. આમ, સોલ-જેલ પ્રક્રિયા નેનોકેમિસ્ટ્રીનો એક ભાગ છે.
નીચેનામાં, અલ્ટ્રાસોનિકલી સહાયિત સોલ-જેલ માર્ગો દ્વારા નેનો-કદની સામગ્રીના સંશ્લેષણની સમીક્ષા કરવામાં આવી છે.

સોલ-જેલ પ્રક્રિયા

સોલ-જેલ અને સંબંધિત પ્રક્રિયામાં નીચેના પગલાં શામેલ છે:

1. સોલ અથવા પ્રીસીપીટેટીંગ પાવડર બનાવવો, સોલને મોલ્ડમાં અથવા સબસ્ટ્રેટ પર જેલ કરવો (ફિલ્મોના કિસ્સામાં), અથવા પ્રીસીપીટેડ પાવડર અને તેના જીલેશનમાંથી બીજો સોલ બનાવવો, અથવા જેલ સિવાયના માર્ગો દ્વારા પાવડરને શરીરમાં આકાર આપવો;
2. સૂકવણી;
3. ફાયરિંગ અને સિન્ટરિંગ. [રાબીનોવિચ 1994]

કોષ્ટક 1: સોલ-જેલ સંશ્લેષણના પગલાં અને ડાઉનસ્ટ્રીમ પ્રક્રિયાઓ

સોલ-જેલ પ્રક્રિયાઓ મેટલ ઓક્સાઇડ અથવા હાઇબ્રિડ પોલિમરના એકીકૃત નેટવર્ક (કહેવાતા જેલ) ના ફેબ્રિકેશન માટે સંશ્લેષણની ભીની-રાસાયણિક તકનીક છે. પુરોગામી તરીકે, સામાન્ય રીતે અકાર્બનિક ધાતુના ક્ષાર જેમ કે મેટલ ક્લોરાઇડ અને કાર્બનિક ધાતુના સંયોજનો જેમ કે મેટલ આલ્કોક્સાઇડનો ઉપયોગ થાય છે. સોલ – પૂર્વગામીઓના સસ્પેન્શનમાં સમાવેશ થાય છે – જેલ જેવી ડિફેસિક સિસ્ટમમાં પરિવર્તિત થાય છે, જેમાં પ્રવાહી અને ઘન તબક્કા બંનેનો સમાવેશ થાય છે. સોલ-જેલ પ્રક્રિયા દરમિયાન થતી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ હાઇડ્રોલિસિસ, પોલી-કન્ડેન્સેશન અને જીલેશન છે.
જલવિચ્છેદન અને પોલી-કન્ડેન્સેશન દરમિયાન, એક કોલોઇડ (સોલ), જેમાં દ્રાવકમાં વિખરાયેલા નેનોપાર્ટિકલ્સનો સમાવેશ થાય છે, રચાય છે. હાલનો સોલ તબક્કો જેલમાં પરિવર્તિત થાય છે.
પરિણામી જેલ-તબક્કો કણો દ્વારા રચાય છે જેનું કદ અને રચના અલગ કોલોઇડલ કણોથી લઈને સતત સાંકળ જેવા પોલિમર સુધી મોટા પ્રમાણમાં બદલાઈ શકે છે. ફોર્મ અને કદ રાસાયણિક પરિસ્થિતિઓ પર આધાર રાખે છે. SiO2 આલ્કોજેલ્સ પરના અવલોકનો પરથી સામાન્ય રીતે નિષ્કર્ષ પર આવી શકે છે કે બેઝ-ઉત્પ્રેરિત સોલ મોનોમર-ક્લસ્ટર્સના એકત્રીકરણ દ્વારા રચાયેલી એક અલગ પ્રજાતિમાં પરિણમે છે, જે વધુ કોમ્પેક્ટ અને ઉચ્ચ શાખાઓ ધરાવે છે. તેઓ અવક્ષેપ અને ગુરુત્વાકર્ષણ દળોથી પ્રભાવિત થાય છે.
એસિડ-ઉત્પ્રેરિત સોલ અત્યંત ગૂંચવાયેલી પોલિમર સાંકળોમાંથી મેળવે છે જે ખૂબ જ સુંદર માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર અને ખૂબ જ નાના છિદ્રો દર્શાવે છે જે સમગ્ર સામગ્રીમાં એકદમ સમાન દેખાય છે. ઓછી ઘનતાવાળા પોલિમરના વધુ ખુલ્લા સતત નેટવર્કની રચના 2 અને 3 પરિમાણોમાં ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા કાચ અને કાચ/સિરામિક ઘટકોની રચનામાં ભૌતિક ગુણધર્મોના સંદર્ભમાં ચોક્કસ ફાયદા દર્શાવે છે. [સક્કા એટ અલ. 1982]
પ્રક્રિયાના આગળના પગલાઓમાં, સ્પિન-કોટિંગ અથવા ડિપ-કોટિંગ દ્વારા સબસ્ટ્રેટને પાતળી ફિલ્મો સાથે કોટ કરવાનું શક્ય બને છે અથવા સોલને ઘાટમાં નાખીને, કહેવાતા ભીનું જેલ રચાય છે. વધારાના સૂકવણી અને ગરમી પછી, એક ગાઢ સામગ્રી મેળવવામાં આવશે.
ડાઉનસ્ટ્રીમ પ્રક્રિયાના વધુ પગલાઓમાં, પ્રાપ્ત જેલને વધુ પ્રક્રિયા કરી શકાય છે. અવક્ષેપ, સ્પ્રે પાયરોલિસિસ અથવા ઇમ્યુશન તકનીકો દ્વારા, અલ્ટ્રાફાઇન અને સમાન પાવડરની રચના કરી શકાય છે. અથવા કહેવાતા એરોજેલ્સ, જે ઉચ્ચ છિદ્રાળુતા અને અત્યંત ઓછી ઘનતા દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, ભીના જેલના પ્રવાહી તબક્કાના નિષ્કર્ષણ દ્વારા બનાવી શકાય છે. તેથી, સામાન્ય રીતે સુપરક્રિટીકલ પરિસ્થિતિઓ જરૂરી છે.

કોષ્ટક 2: મેસોપોરસ TiO2 નું અલ્ટ્રાસોનિક સોલ-જેલ સંશ્લેષણ [યુ એટ અલ., કેમ. કોમ્યુન. 2003, 2078]

હાઇ પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ અને તેની સોનોકેમિકલ અસરો

ઉચ્ચ-શક્તિ, ઓછી-આવર્તન અલ્ટ્રાસાઉન્ડ રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ માટે ઉચ્ચ સંભાવના પ્રદાન કરે છે. જ્યારે તીવ્ર અલ્ટ્રાસોનિક તરંગોને પ્રવાહી માધ્યમમાં દાખલ કરવામાં આવે છે, ત્યારે આવર્તનના આધારે દરો સાથે વૈકલ્પિક ઉચ્ચ-દબાણ અને ઓછા-દબાણ ચક્રો થાય છે. ઉચ્ચ દબાણ ચક્રનો અર્થ સંકોચન થાય છે, જ્યારે ઓછી આવર્તન ચક્રનો અર્થ થાય છે માધ્યમનું વિરલતા. લો-પ્રેશર (વિરલતા) ચક્ર દરમિયાન, ઉચ્ચ શક્તિનો અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પ્રવાહીમાં નાના વેક્યૂમ બબલ્સ બનાવે છે. આ શૂન્યાવકાશ પરપોટા અનેક ચક્રોમાં વધે છે.
અલ્ટ્રાસાઉન્ડની તીવ્રતા અનુસાર, પ્રવાહી સંકુચિત થાય છે અને વિવિધ ડિગ્રી સુધી ખેંચાય છે. આનો અર્થ એ છે કે પોલાણ પરપોટા બે રીતે વર્તે છે. આશરે 1-3 W/cm² ની ઓછી અલ્ટ્રાસોનિક તીવ્રતા પર, પોલાણ પરપોટા ઘણા એકોસ્ટિક ચક્ર માટે સંતુલન કદની આસપાસ ઓસીલેટ થાય છે. આ ઘટનાને સ્થિર પોલાણ કહેવામાં આવે છે. ઉચ્ચ અલ્ટ્રાસોનિક તીવ્રતા પર (10 W/cm² સુધી), પોલાણ પરપોટા થોડા એકોસ્ટિક ચક્રની અંદર રચાય છે, જ્યારે બબલ ઊર્જાને શોષી શકતો નથી ત્યારે સંકોચનના બિંદુ પર તૂટી પડતાં પહેલાં તેમના પ્રારંભિક કદ કરતાં ઓછામાં ઓછા બમણા ત્રિજ્યા સુધી પહોંચે છે. આને ક્ષણિક અથવા જડતા પોલાણ કહેવામાં આવે છે. બબલ ઇમ્પ્લોશન દરમિયાન, સ્થાનિક રીતે હોટ સ્પોટ તરીકે ઓળખાય છે, જે આત્યંતિક પરિસ્થિતિઓ દર્શાવે છે: ખૂબ ઊંચા તાપમાન (આશરે 5,000 K) અને દબાણ (આશરે 2,000 એટીએમ) સુધી પહોંચી જાય છે. પોલાણ પરપોટાનું વિસ્ફોટ 280 m/s સુધીના વેગ સાથે પ્રવાહી જેટમાં પણ પરિણમે છે, જે ખૂબ જ ઊંચી શીયર ફોર્સ બનાવે છે. [સુસ્લિક 1998/ સાન્તોસ એટ અલ. 2009]

સોનો-ઓર્મોસિલ

સોનિકેશન એ પોલિમરના સંશ્લેષણ માટે એક કાર્યક્ષમ સાધન છે. અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સિંગ અને ડિગ્ગ્લોમેરેશન દરમિયાન, કેવિએશનલ શીયર ફોર્સ, જે બિન-રેન્ડમ પ્રક્રિયામાં પરમાણુ સાંકળોને ખેંચે છે અને તોડે છે, પરિણામે પરમાણુ વજન અને પોલી-વિખેરતામાં ઘટાડો થાય છે. વધુમાં, મલ્ટિ-ફેઝ સિસ્ટમ્સ ખૂબ જ કાર્યક્ષમ રીતે વિખરાયેલી અને ઇમલ્સિફાઇડ છે, જેથી ખૂબ જ સુંદર મિશ્રણ પ્રદાન કરવામાં આવે છે. આનો અર્થ એ છે કે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પરંપરાગત હલનચલન કરતાં પોલિમરાઇઝેશનના દરમાં વધારો કરે છે અને નીચા પોલિડિસ્પર્સિટી સાથે ઉચ્ચ પરમાણુ વજનમાં પરિણમે છે.
જ્યારે સોલ-જેલ પ્રક્રિયા દરમિયાન જેલમાંથી મેળવેલા સિલિકામાં સિલેન ઉમેરવામાં આવે ત્યારે ઓર્મોસિલ (ઓર્ગેનિકલી મોડિફાઇડ સિલિકેટ) મેળવવામાં આવે છે. ઉત્પાદન સુધારેલ યાંત્રિક ગુણધર્મો સાથે મોલેક્યુલર-સ્કેલ સંયુક્ત છે. સોનો-ઓર્મોસિલ ક્લાસિક જેલ કરતાં વધુ ઘનતા તેમજ સુધારેલ થર્મલ સ્થિરતા દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. તેથી સમજૂતી પોલિમરાઇઝેશનની વધેલી ડિગ્રી હોઈ શકે છે. [રોઝા-ફોક્સ એટ અલ. 2002]

અલ્ટ્રાસોનિક સોલ-જેલ સિન્થેસિસ દ્વારા મેસોપોરસ TiO2

મેસોપોરસ TiO2 એ ફોટોકેટાલિસ્ટ તરીકે તેમજ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ, સેન્સર ટેક્નોલોજી અને પર્યાવરણીય ઉપાયોમાં વિડલીનો ઉપયોગ થાય છે. ઑપ્ટિમાઇઝ મટિરિયલ પ્રોપર્ટીઝ માટે, તે ઉચ્ચ સ્ફટિકીયતા અને વિશાળ સપાટી વિસ્તાર સાથે TiO2 ઉત્પન્ન કરવાનો છે. અલ્ટ્રાસોનિક આસિસ્ટેડ સોલ-જેલ રૂટનો ફાયદો એ છે કે TiO2 ના આંતરિક અને બાહ્ય ગુણધર્મો, જેમ કે કણોનું કદ, સપાટીનું ક્ષેત્રફળ, છિદ્ર-વોલ્યુમ, છિદ્ર-વ્યાસ, સ્ફટિકીયતા તેમજ એનાટેઝ, રુટાઇલ અને બ્રુકાઇટ તબક્કાના ગુણોત્તરને પ્રભાવિત કરી શકાય છે. પરિમાણોને નિયંત્રિત કરીને.
મિલાની એટ અલ. (2011) એ TiO2 એનાટેઝ નેનોપાર્ટિકલ્સનું સંશ્લેષણ દર્શાવ્યું છે. તેથી, સોલ-જેલ પ્રક્રિયાને TiCl4 પુરોગામી પર લાગુ કરવામાં આવી હતી અને અલ્ટ્રાસોનિકેશન સાથે અને વગર બંને રીતે સરખામણી કરવામાં આવી છે. પરિણામો દર્શાવે છે કે અલ્ટ્રાસોનિક ઇરેડિયેશન સોલ-જેલ પદ્ધતિ દ્વારા બનાવેલા સોલ્યુશનના તમામ ઘટકો પર એકવિધ અસર કરે છે અને સોલ્યુશનમાં મોટા નેનોમેટ્રિક કોલોઇડ્સની છૂટક કડીઓ તોડી નાખે છે. આમ, નાના નેનોપાર્ટિકલ્સ બનાવવામાં આવે છે. સ્થાનિક રીતે બનતા ઊંચા દબાણો અને તાપમાન લાંબા પોલિમર સાંકળોમાં બંધન તોડી નાખે છે તેમજ નબળા કડીઓ નાના કણોને બાંધે છે, જેના દ્વારા મોટા કોલોઇડલ સમૂહો રચાય છે. બંને TiO2 નમૂનાઓની સરખામણી, અલ્ટ્રાસોનિક ઇરેડિયેશનની હાજરીમાં અને ગેરહાજરીમાં, નીચેની SEM છબીઓમાં બતાવવામાં આવી છે (જુઓ. Pic. 2).
 

તસવીર 2: TiO2 pwder ની SEM છબીઓ, 1h માટે 400 degC પર કેલ્સિનેટેડ અને 24h જિલેટિનાઇઝેશન સમય: (a) ની હાજરીમાં અને (b) અલ્ટ્રાસાઉન્ડની ગેરહાજરીમાં. [મિલાની એટ અલ. 2011]

વધુમાં, રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ સોનોકેમિકલ અસરોથી લાભ મેળવી શકે છે, જેમાં દા.ત. રાસાયણિક બંધનો તૂટવો, રાસાયણિક પ્રતિક્રિયામાં નોંધપાત્ર વધારો અથવા મોલેક્યુલર ડિગ્રેડેશનનો સમાવેશ થાય છે.

નિષ્કર્ષ

સોલ-જેલ પ્રક્રિયાઓમાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ વધુ સારી રીતે મિશ્રણ અને કણોના ડિગગ્લોમેરેશન તરફ દોરી જાય છે. આના પરિણામે નાના કણોનું કદ, ગોળાકાર, નીચા-પરિમાણીય કણોનો આકાર અને ઉન્નત મોર્ફોલોજી થાય છે. કહેવાતા સોનો-જેલ્સ તેમની ઘનતા અને બારીક, સજાતીય રચના દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. આ લક્ષણો સોલની રચના દરમિયાન દ્રાવકના ઉપયોગને ટાળવાને કારણે બનાવવામાં આવે છે, પણ, અને મુખ્યત્વે, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ દ્વારા પ્રેરિત રેટિક્યુલેશનની પ્રારંભિક ક્રોસ-લિંક્ડ સ્થિતિને કારણે. સૂકવણીની પ્રક્રિયા પછી, પરિણામી સોનોજેલ્સ અલ્ટ્રાસાઉન્ડ લાગુ કર્યા વિના મેળવેલા તેમના સમકક્ષોથી વિપરીત એક કણોનું માળખું રજૂ કરે છે, જે ફિલામેન્ટસ હોય છે. [એસ્કિવિયાસ એટ અલ. 2004]
એવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે તીવ્ર અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ સોલ-જેલ પ્રક્રિયાઓમાંથી અનન્ય સામગ્રીના ટેલરિંગ માટે પરવાનગી આપે છે. આ હાઇ-પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડને રસાયણશાસ્ત્ર અને સામગ્રીના સંશોધન અને વિકાસ માટે એક શક્તિશાળી સાધન બનાવે છે.