સોલ-જેલ પ્રક્રિયાઓ પર ધ્વનિરાસાયણિક અસરો

અતિસૂક્ષ્મ નેનોકદના કણો અને ગોળાકાર કણો, પાતળા પડનાં આવરણો, તંતુઓ, છિદ્રાળુ અને સઘન પદાર્થો તેમજ અત્યંત છિદ્રાળુ એરોજેલ અને ઝેરોજેલ, ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા ધરાવતા પદાર્થોના વિકાસ અને ઉત્પાદન માટે ખૂબ જ સંભાવનાશીલ ઉમેરણો છે. સિરામિક્સ, અત્યંત છિદ્રાળુ, અતિહલકા એરોજેલ અને કાર્બનિક-અકાર્બનિક સંકર પદાર્થો જેવા અદ્યતન પદાર્થોનું સંશ્લેષણ સોલ-જેલ પદ્ધતિ દ્વારા પ્રવાહીમાં રહેલાં કલિલીય નિલંબનો અથવા પોલિમરોમાંથી કરી શકાય છે. ઉત્પન્ન થતા સોલ કણોનું કદ નેનોમીટરની શ્રેણીમાં હોવાથી પદાર્થ અનન્ય લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે. આમ, સોલ-જેલ પ્રક્રિયા નેનોરસાયણશાસ્ત્રનો એક ભાગ છે.
નીચે, અલ્ટ્રાસોનિક સહાયિત સોલ-જેલ માર્ગો દ્વારા નેનોકદના પદાર્થના સંશ્લેષણની સમીક્ષા કરવામાં આવી છે.

સોલ-જેલ પ્રક્રિયા

સોલ-જેલ અને સંબંધિત પ્રક્રિયાકરણમાં નીચેના તબક્કાઓનો સમાવેશ થાય છે:

1. સોલ બનાવવો અથવા પાઉડરનું અવક્ષેપણ કરવું, સોલને બીબામાં અથવા આધારપૃષ્ઠ પર (પડના કિસ્સામાં) જેલમાં ફેરવવો, અથવા અવક્ષેપિત પાઉડરમાંથી બીજો સોલ બનાવવો અને તેનું જેલીકરણ કરવું, અથવા જેલનો ઉપયોગ ન કરતા માર્ગો દ્વારા પાઉડરને એક પિંડનો આકાર આપવો;
2. સૂકવવું;
3. ભઠ્ઠીમાં તાપન અને સિન્ટરિંગ કરવું.   [Rabinovich 1994]

કોષ્ટક 1: સોલ-જેલ સંશ્લેષણના તબક્કાઓ અને ત્યારપછીની પ્રક્રિયાઓ

સોલ-જેલ પ્રક્રિયાઓ ધાતુના ઑક્સાઇડ અથવા સંકર પોલિમરોનું એક સંકલિત જાળું (કહેવાતી જેલ) બનાવવા માટેની ભીની રાસાયણિક સંશ્લેષણ તકનીક છે. પૂર્વગામી પદાર્થો તરીકે સામાન્ય રીતે ધાતુના ક્લોરાઇડ જેવા અકાર્બનિક ધાતુક્ષારો અને ધાતુના આલ્કોક્સાઇડ જેવા કાર્બનિક ધાતુસંયોજનોનો ઉપયોગ થાય છે. પૂર્વગામી પદાર્થોના નિલંબનથી બનેલો સોલ – જેલ જેવી દ્વિપ્રાવસ્થાવાળી પ્રણાલીમાં રૂપાંતરિત થાય છે, જેમાં પ્રવાહી અને ઘન બંને પ્રાવસ્થાઓ હોય છે. સોલ-જેલ પ્રક્રિયા દરમિયાન થતી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ જળવિઘટન, બહુલસંઘનન અને જેલીકરણ છે.
જળવિઘટન અને બહુલસંઘનન દરમિયાન દ્રાવકમાં વિખેરાયેલા નેનોકણોથી બનેલો કલિલ (સોલ) રચાય છે. અસ્તિત્વમાં રહેલી સોલ પ્રાવસ્થા જેલમાં રૂપાંતરિત થાય છે.
પરિણામી જેલ પ્રાવસ્થા એવા કણોથી બને છે, જેમનું કદ અને રચના અલગ-અલગ કલિલીય કણોથી લઈને સતત સાંકળ જેવા પોલિમરો સુધી ખૂબ જ બદલાઈ શકે છે. આકાર અને કદ રાસાયણિક પરિસ્થિતિઓ પર આધાર રાખે છે. SiO2 આલ્કોજેલનાં અવલોકનો પરથી સામાન્ય રીતે એવું તારવી શકાય છે કે બેઝ દ્વારા ઉત્પ્રેરિત સોલમાંથી મોનોમરના સમૂહોના એકત્રીકરણથી રચાયેલી એક અલગ પ્રજાતિ બને છે, જે વધુ સુસઘન અને ખૂબ જ શાખાવાળી હોય છે. તેના પર અવસાદન અને ગુરુત્વાકર્ષણનાં બળોની અસર થાય છે.
ઍસિડ દ્વારા ઉત્પ્રેરિત સોલ અત્યંત ગૂંચવાયેલી પોલિમર સાંકળોમાંથી ઉત્પન્ન થાય છે, જે અતિસૂક્ષ્મ સૂક્ષ્મસંરચના અને ખૂબ નાના છિદ્રો દર્શાવે છે; આ છિદ્રો સમગ્ર પદાર્થમાં એકદમ સમાન દેખાય છે. ઓછી ઘનતાવાળા પોલિમરોનું વધુ ખુલ્લું, સતત જાળું રચાવાથી 2 અને 3 પરિમાણોમાં ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા ધરાવતા કાચ અને કાચ/સિરામિક ઘટકો બનાવતી વખતે ભૌતિક ગુણધર્મોની દૃષ્ટિએ અમુક લાભો મળે છે. [Sakka et al. 1982]
પ્રક્રિયાકરણના આગળના તબક્કાઓમાં સ્પિન-કોટિંગ અથવા ડિપ-કોટિંગ દ્વારા આધારપૃષ્ઠો પર પાતળાં પડ ચઢાવવાનું અથવા સોલને બીબામાં ઢાળીને કહેવાતી ભીની જેલ બનાવવાનું શક્ય બને છે. વધારાના સૂકવણ અને તાપન પછી સઘન પદાર્થ પ્રાપ્ત થશે.
ત્યારપછીની પ્રક્રિયાના આગળના તબક્કાઓમાં પ્રાપ્ત જેલ પર વધુ પ્રક્રિયા કરી શકાય છે. અવક્ષેપણ, સ્પ્રે પાયરોલિસિસ અથવા ઇમલ્શન તકનીકો દ્વારા અતિસૂક્ષ્મ અને એકસમાન પાઉડર બનાવી શકાય છે. અથવા ભીની જેલમાંથી પ્રવાહી પ્રાવસ્થા નિષ્કર્ષિત કરીને કહેવાતા એરોજેલ બનાવી શકાય છે, જે ઊંચી છિદ્રાળુતા અને અત્યંત ઓછી ઘનતા ધરાવે છે. આ માટે સામાન્ય રીતે સુપરક્રિટિકલ પરિસ્થિતિઓ જરૂરી હોય છે.

કોષ્ટક 2: મધ્યમ કદનાં છિદ્રો ધરાવતા TiO2નું અલ્ટ્રાસોનિક સોલ-જેલ સંશ્લેષણ [Yu et al., Chem. Commun. 2003, 2078]

ઉચ્ચ શક્તિવાળું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ અને તેની ધ્વનિરાસાયણિક અસરો

ઉચ્ચ શક્તિવાળા, ઓછી આવૃત્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડમાં રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ માટે ઊંચી સંભાવના રહેલી છે. જ્યારે પ્રવાહી માધ્યમમાં તીવ્ર અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો દાખલ કરવામાં આવે છે, ત્યારે આવૃત્તિ પર આધારિત દરે એકાંતરે ઉચ્ચ દબાણ અને નીચા દબાણનાં ચક્રો સર્જાય છે. ઉચ્ચ દબાણનાં ચક્રોનો અર્થ સંકોચન થાય છે, જ્યારે ઓછી આવૃત્તિનાં ચક્રોનો અર્થ માધ્યમનું વિરલન થાય છે. નીચા દબાણના (વિરલનના) ચક્ર દરમિયાન, ઉચ્ચ શક્તિવાળું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પ્રવાહીમાં નાના શૂન્યાવકાશી પરપોટા બનાવે છે. આ શૂન્યાવકાશી પરપોટા અનેક ચક્રો દરમિયાન વધે છે.
અલ્ટ્રાસાઉન્ડની તીવ્રતા અનુસાર, પ્રવાહી જુદી જુદી માત્રામાં સંકોચાય છે અને ખેંચાય છે. આનો અર્થ એ છે કે કેવિટેશનના પરપોટા બે રીતે વર્તી શકે છે. આશરે 1–3 W/cm² જેટલી ઓછી અલ્ટ્રાસોનિક તીવ્રતાએ, કેવિટેશનના પરપોટા અનેક ધ્વનિક ચક્રો સુધી સંતુલિત કદની આસપાસ દોલન કરે છે. આ ઘટનાને સ્થિર કેવિટેશન કહેવામાં આવે છે. વધુ ઊંચી અલ્ટ્રાસોનિક તીવ્રતાએ (10 W/cm² સુધી), કેવિટેશનના પરપોટા થોડાં ધ્વનિક ચક્રોમાં બને છે અને તેમની ત્રિજ્યા તેમના પ્રારંભિક કદથી ઓછામાં ઓછી બમણી થાય છે; ત્યારબાદ, જ્યારે પરપોટો વધુ ઊર્જા શોષી શકતો નથી, ત્યારે સંકોચનના બિંદુએ તે તૂટી પડે છે. આને ક્ષણિક અથવા જડત્વીય કેવિટેશન કહેવામાં આવે છે. પરપોટાના અંતઃસ્ફોટ દરમિયાન, સ્થાનિક ગરમ બિંદુઓ સર્જાય છે, જ્યાં અત્યંત વિષમ પરિસ્થિતિઓ ઊભી થાય છે: ખૂબ ઊંચું તાપમાન (આશરે 5,000 K) અને દબાણ (આશરે 2,000 atm) પ્રાપ્ત થાય છે. કેવિટેશનના પરપોટાના અંતઃસ્ફોટથી 280 m/s સુધીના વેગવાળા પ્રવાહી જેટ પણ સર્જાય છે, જે ખૂબ ઊંચાં કર્તન બળો પેદા કરે છે. [Suslick 1998/ Santos et al. 2009]

Sono-Ormosil

પોલિમરના સંશ્લેષણ માટે સોનિકેશન એક કાર્યક્ષમ સાધન છે. અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરણ અને કણસમૂહોના વિઘટન દરમિયાન, કેવિટેશનથી ઉત્પન્ન થતાં કર્તન બળો અણુશૃંખલાઓને બિનયાદૃચ્છિક પ્રક્રિયામાં ખેંચે છે અને તોડે છે, જેના પરિણામે અણુભાર અને બહુવિખરાયેલાપણામાં ઘટાડો થાય છે. વધુમાં, બહુપ્રાવસ્થાવાળી પ્રણાલીઓનું ખૂબ કાર્યક્ષમ રીતે વિખેરણ અને પાયસીકરણ થાય છે, જેથી અત્યંત સૂક્ષ્મ મિશ્રણો પ્રાપ્ત થાય છે. આનો અર્થ એ છે કે પરંપરાગત હલાવવાની પદ્ધતિની સરખામણીમાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પોલિમરીકરણનો દર વધારે છે અને ઓછા બહુવિખરાયેલાપણા સાથે વધુ ઊંચા અણુભાર પ્રાપ્ત થાય છે.
સોલ–જેલ પ્રક્રિયા દરમિયાન જેલમાંથી મેળવેલી સિલિકામાં સિલેન ઉમેરવામાં આવે ત્યારે ઓર્મોસિલ્સ (કાર્બનિક રીતે સંશોધિત સિલિકેટ) પ્રાપ્ત થાય છે. આ ઉત્પાદન સુધારેલા યાંત્રિક ગુણધર્મો ધરાવતું અણુસ્તરનું સંયુક્ત પદાર્થ છે. Sono-Ormosils પરંપરાગત જેલ કરતાં વધુ ઊંચી ઘનતા તેમજ સુધારેલી ઉષ્મીય સ્થિરતા ધરાવે છે. આનું કારણ પોલિમરીકરણની વધેલી માત્રા હોઈ શકે છે. [Rosa-Fox et al. 2002]

અલ્ટ્રાસોનિક સોલ–જેલ સંશ્લેષણ દ્વારા મધ્યછિદ્રાળુ TiO2

મધ્યછિદ્રાળુ TiO2 નો પ્રકાશઉત્પ્રેરક તરીકે તેમજ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ, સેન્સર ટેકનોલોજી અને પર્યાવરણીય દૂષણનિવારણમાં વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે. પદાર્થના ગુણધર્મોને શ્રેષ્ઠ બનાવવા માટે, ઊંચી સ્ફટિકીયતા અને વિશાળ સપાટી ક્ષેત્રફળ ધરાવતું TiO2 ઉત્પન્ન કરવાનો ઉદ્દેશ રાખવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડની સહાયથી થતી સોલ–જેલ પદ્ધતિનો ફાયદો એ છે કે પ્રક્રિયાના પરિમાણોને નિયંત્રિત કરીને TiO2 ના આંતરિક અને બાહ્ય ગુણધર્મોને પ્રભાવિત કરી શકાય છે, જેમ કે કણનું કદ, સપાટી ક્ષેત્રફળ, છિદ્રનું ઘનફળ, છિદ્રનો વ્યાસ, સ્ફટિકીયતા તેમજ એનાટેઝ, રૂટાઇલ અને બ્રૂકાઇટ પ્રાવસ્થાઓના ગુણોત્તર.
Milani અને સહલેખકોએ (2011) TiO2 એનાટેઝ નેનોકણોનું સંશ્લેષણ દર્શાવ્યું છે. આ માટે, TiCl4 પૂર્વગામી પર સોલ–જેલ પ્રક્રિયા લાગુ કરવામાં આવી હતી અને અલ્ટ્રાસોનિકેશન સાથેની તથા તેના વિનાની બંને પદ્ધતિઓની સરખામણી કરવામાં આવી હતી. પરિણામો દર્શાવે છે કે અલ્ટ્રાસોનિક વિકિરણ સોલ–જેલ પદ્ધતિથી બનાવેલા દ્રાવણના તમામ ઘટકો પર “monotonous effect” ધરાવે છે અને દ્રાવણમાં રહેલા મોટા નેનોમીટર-કદના કોલોઇડના શિથિલ જોડાણોને તોડે છે. આમ, નાના નેનોકણો બને છે. સ્થાનિક રીતે સર્જાતાં ઊંચાં દબાણ અને તાપમાન લાંબી પોલિમર શૃંખલાઓનાં બંધનો તેમજ નાના કણોને જોડતાં નબળાં જોડાણોને તોડે છે, જેના દ્વારા મોટા કોલોઇડીય સમૂહો રચાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક વિકિરણની હાજરીમાં અને ગેરહાજરીમાં મેળવેલા બંને TiO2 નમૂનાઓની સરખામણી નીચેની SEM છબીઓમાં દર્શાવવામાં આવી છે (ચિત્ર 2 જુઓ).
 

ચિત્ર 2: 400 degC પર 1h માટે કેલ્સિનેશન કરેલા અને 24hનો જિલેટિનીકરણ સમય ધરાવતા TiO2 પાઉડરની SEM છબીઓ: (a) અલ્ટ્રાસાઉન્ડની હાજરીમાં અને (b) અલ્ટ્રાસાઉન્ડની ગેરહાજરીમાં. [Milani et al. 2011]

વધુમાં, રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને સોનોકેમિકલ અસરોથી લાભ થઈ શકે છે, જેમાં ઉદાહરણ તરીકે રાસાયણિક બંધોનું તૂટવું, રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાશીલતામાં નોંધપાત્ર વધારો અથવા અણુઓનું વિઘટન સામેલ છે.

નિષ્કર્ષ

સોલ-જેલ પ્રક્રિયાઓમાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ વધુ સારું મિશ્રણ અને કણોના સમૂહોનું વિઘટન કરાવે છે. પરિણામે કણોનું કદ નાનું થાય છે, કણોનો આકાર ગોળાકાર અને નિમ્ન-પરિમાણીય બને છે તથા તેમની આકારરચના સુધરે છે. સોનો-જેલ તરીકે ઓળખાતા પદાર્થો તેમની ઘનતા અને સૂક્ષ્મ, સમાન સંરચનાથી વિશિષ્ટ બને છે. આ લાક્ષણિકતાઓ સોલની રચના દરમિયાન દ્રાવકનો ઉપયોગ ટાળવાને કારણે, તેમજ મુખ્યત્વે અલ્ટ્રાસાઉન્ડથી પ્રેરિત જાળીકરણની પ્રારંભિક આડા-બંધિત અવસ્થાને કારણે સર્જાય છે. સૂકવણીની પ્રક્રિયા પછી, પરિણામી સોનોજેલ કણમય સંરચના ધરાવે છે, જ્યારે અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ કર્યા વિના મેળવાયેલા તેમના સમકક્ષ પદાર્થો તંતુમય હોય છે. [Esquivias et al. 2004]
તીવ્ર અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ સોલ-જેલ પ્રક્રિયાઓ દ્વારા વિશિષ્ટ પદાર્થોને જરૂરિયાત મુજબ તૈયાર કરવાનું શક્ય બનાવે છે એવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. આથી ઉચ્ચ શક્તિનું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ રસાયણશાસ્ત્ર અને પદાર્થોના સંશોધન તથા વિકાસ માટે એક શક્તિશાળી સાધન બને છે.