Efek Sonokimia pada Proses Sol-Gel

Partikel ultrahalus berukuran nano dan partikel berbentuk bola, lapisan film tipis, serat, material berpori dan padat, serta aerogel dan xerogel yang sangat berpori merupakan bahan aditif yang sangat potensial untuk pengembangan dan produksi material berkinerja tinggi. Material canggih, termasuk misalnya keramik, aerogel ultraringan yang sangat berpori, dan hibrida organik-anorganik, dapat disintesis dari suspensi koloid atau polimer dalam cairan melalui metode sol-gel. Material tersebut menunjukkan karakteristik yang unik karena partikel sol yang dihasilkan berada dalam kisaran ukuran nanometer. Dengan demikian, proses sol-gel merupakan bagian dari nanokimia.
Berikut ini diulas sintesis material berukuran nano melalui jalur sol-gel berbantuan ultrasonik.

Proses Sol-Gel

Pemrosesan sol-gel dan pemrosesan terkait mencakup langkah-langkah berikut:

1. membuat sol atau mengendapkan serbuk, membentuk gel dari sol dalam cetakan atau pada substrat (untuk film), atau membuat sol kedua dari serbuk yang diendapkan dan membentuknya menjadi gel, atau membentuk serbuk menjadi suatu benda melalui jalur non-gel;
2. pengeringan;
3. pembakaran dan sintering.   [Rabinovich 1994]

Tabel 1: Tahapan sintesis Sol-Gel dan proses hilirnya

Proses sol-gel merupakan teknik sintesis kimia basah untuk menghasilkan jaringan terpadu (yang disebut gel) dari oksida logam atau polimer hibrida. Sebagai prekursor, umumnya digunakan garam logam anorganik seperti klorida logam dan senyawa logam organik seperti alkoksida logam. Sol – yang terdiri atas suspensi prekursor – berubah menjadi sistem dua fase menyerupai gel, yang terdiri atas fase cair dan fase padat. Reaksi kimia yang terjadi selama proses sol-gel adalah hidrolisis, polikondensasi, dan gelasi.
Selama hidrolisis dan polikondensasi, terbentuk koloid (sol) yang terdiri atas nanopartikel yang terdispersi dalam pelarut. Fase sol yang ada berubah menjadi gel.
Fase gel yang dihasilkan terbentuk dari partikel yang ukuran dan bentuknya dapat sangat bervariasi, mulai dari partikel koloid diskret hingga polimer kontinu menyerupai rantai. Bentuk dan ukurannya bergantung pada kondisi kimia. Dari pengamatan terhadap alkogel SiO2, secara umum dapat disimpulkan bahwa sol yang dikatalisis basa menghasilkan spesies diskret yang terbentuk melalui agregasi klaster monomer, yang lebih kompak dan sangat bercabang. Spesies ini dipengaruhi oleh sedimentasi dan gaya gravitasi.
Sol yang dikatalisis asam berasal dari rantai polimer yang sangat terbelit, dengan mikrostruktur yang sangat halus dan pori-pori sangat kecil yang tampak cukup seragam di seluruh material. Pembentukan jaringan kontinu yang lebih terbuka dari polimer berdensitas rendah memberikan sejumlah keuntungan terkait sifat fisik dalam pembentukan kaca berkinerja tinggi dan komponen kaca/keramik dalam 2 dan 3 dimensi. [Sakka et al. 1982]
Pada tahap pemrosesan selanjutnya, pelapisan putar atau pelapisan celup memungkinkan substrat dilapisi film tipis, atau sol dapat dituang ke dalam cetakan untuk membentuk apa yang disebut gel basah. Setelah pengeringan dan pemanasan tambahan, akan diperoleh material padat.
Pada tahap proses hilir selanjutnya, gel yang diperoleh dapat diproses lebih lanjut. Melalui presipitasi, pirolisis semprot, atau teknik emulsi, dapat dibentuk serbuk ultrahalus dan seragam. Atau, apa yang disebut aerogel, yang dicirikan oleh porositas tinggi dan densitas yang sangat rendah, dapat dibuat melalui ekstraksi fase cair dari gel basah. Untuk itu, biasanya diperlukan kondisi superkritis.

Tabel 2: Sintesis sol-gel ultrasonik TiO2 mesopori [Yu et al., Chem. Commun. 2003, 2078]

Ultrasonik Berdaya Tinggi dan Efek Sonokimianya

Ultrasonik berdaya tinggi dan berfrekuensi rendah menawarkan potensi besar untuk proses kimia. Ketika gelombang ultrasonik yang intens dimasukkan ke dalam medium cair, terjadi siklus tekanan tinggi dan tekanan rendah secara bergantian dengan laju yang bergantung pada frekuensi. Siklus tekanan tinggi berarti kompresi, sedangkan siklus frekuensi rendah berarti perenggangan medium. Selama siklus tekanan rendah (perenggangan), ultrasonik berdaya tinggi menciptakan gelembung vakum kecil dalam cairan. Gelembung vakum ini membesar selama beberapa siklus.
Sesuai dengan intensitas ultrasonik, cairan mengalami kompresi dan perenggangan dengan tingkat yang berbeda-beda. Ini berarti gelembung kavitasi dapat berperilaku dalam dua cara. Pada intensitas ultrasonik rendah sekitar 1–3 W/cm², gelembung kavitasi berosilasi di sekitar ukuran kesetimbangan selama banyak siklus akustik. Fenomena ini disebut kavitasi stabil. Pada intensitas ultrasonik yang lebih tinggi (hingga 10 W/cm²), gelembung kavitasi terbentuk dalam beberapa siklus akustik, mencapai radius setidaknya dua kali ukuran awalnya sebelum runtuh pada suatu titik kompresi ketika gelembung tidak lagi dapat menyerap energi. Ini disebut kavitasi transien atau inersial. Selama implosi gelembung, terbentuk titik panas lokal dengan kondisi ekstrem: suhu yang sangat tinggi (sekitar 5.000 K) dan tekanan yang sangat tinggi (sekitar 2.000 atm) tercapai. Implosi gelembung kavitasi juga menghasilkan jet cairan dengan kecepatan hingga 280 m/s, yang menciptakan gaya geser sangat tinggi. [Suslick 1998/ Santos et al. 2009]

Sono-Ormosil

Sonikasi merupakan sarana yang efisien untuk sintesis polimer. Selama dispersi dan deaglomerasi ultrasonik, gaya geser kavitasi, yang meregangkan dan memutus rantai molekul melalui proses yang tidak acak, menyebabkan penurunan berat molekul dan polidispersitas. Selain itu, sistem multifase didispersikan dan diemulsikan dengan sangat efisien sehingga menghasilkan campuran yang sangat halus. Ini berarti ultrasonik meningkatkan laju polimerisasi dibandingkan pengadukan konvensional dan menghasilkan berat molekul yang lebih tinggi dengan polidispersitas yang lebih rendah.
Ormosil (silikat yang dimodifikasi secara organik) diperoleh ketika silana ditambahkan ke silika yang berasal dari gel selama proses sol-gel. Produknya berupa komposit berskala molekuler dengan sifat mekanis yang lebih baik. Sono-Ormosil dicirikan oleh densitas yang lebih tinggi daripada gel klasik serta stabilitas termal yang lebih baik. Hal ini mungkin dapat dijelaskan oleh meningkatnya derajat polimerisasi. [Rosa-Fox et al. 2002]

TiO2 Mesopori melalui Sintesis Sol-Gel Ultrasonik

TiO2 mesopori banyak digunakan sebagai fotokatalis serta dalam elektronika, teknologi sensor, dan remediasi lingkungan. Untuk mengoptimalkan sifat material, tujuannya adalah menghasilkan TiO2 dengan kristalinitas tinggi dan luas permukaan besar. Jalur sol-gel berbantuan ultrasonik memiliki keunggulan bahwa sifat intrinsik dan ekstrinsik TiO2, seperti ukuran partikel, luas permukaan, volume pori, diameter pori, kristalinitas, serta rasio fase anatase, rutil, dan brookit, dapat dipengaruhi dengan mengendalikan parameternya.
Milani et al. (2011) telah mendemonstrasikan sintesis nanopartikel anatase TiO2. Untuk itu, proses sol-gel diterapkan pada prekursor TiCl4 dan kedua cara, dengan dan tanpa sonikasi, dibandingkan. Hasilnya menunjukkan bahwa iradiasi ultrasonik memberikan efek “monotonous effect” pada semua komponen larutan yang dibuat dengan metode sol-gel dan menyebabkan putusnya ikatan longgar pada koloid nanometrik besar dalam larutan. Dengan demikian, terbentuk nanopartikel yang lebih kecil. Tekanan dan suhu tinggi yang terjadi secara lokal memutus ikatan dalam rantai polimer panjang serta ikatan lemah yang mengikat partikel-partikel lebih kecil, yang membentuk massa koloid lebih besar. Perbandingan kedua sampel TiO2, dengan dan tanpa iradiasi ultrasonik, ditampilkan pada citra SEM di bawah ini (lihat Gbr. 2).
 

Gbr. 2: Citra SEM serbuk TiO2, dikalsinasi pada 400 degC selama 1h dengan waktu gelatinisasi 24h: (a) dengan dan (b) tanpa ultrasonik. [Milani et al. 2011]

Selain itu, reaksi kimia dapat memperoleh manfaat dari efek sonokimia, yang mencakup misalnya pemutusan ikatan kimia, peningkatan reaktivitas kimia yang signifikan, atau degradasi molekuler.

Kesimpulan

Penerapan ultrasonik pada proses sol-gel menghasilkan pencampuran yang lebih baik dan deaglomerasi partikel. Hal ini menghasilkan ukuran partikel yang lebih kecil, bentuk partikel bulat berdimensi rendah, dan morfologi yang lebih baik. Apa yang disebut sono-gel dicirikan oleh densitasnya serta strukturnya yang halus dan homogen. Karakteristik ini terbentuk karena penggunaan pelarut dihindari selama pembentukan sol, tetapi juga, dan terutama, karena keadaan awal jaringan berikatan silang yang diinduksi oleh ultrasonik. Setelah proses pengeringan, sonogel yang dihasilkan menunjukkan struktur partikulat, berbeda dengan gel yang diperoleh tanpa penerapan ultrasonik, yang berbentuk filamen. [Esquivias et al. 2004]
Telah ditunjukkan bahwa penggunaan ultrasonik yang intens memungkinkan penyesuaian material unik dari proses sol-gel. Hal ini menjadikan ultrasonik berdaya tinggi sebagai sarana yang ampuh untuk penelitian dan pengembangan kimia serta material.