სონოქიმიური ზემოქმედება სოლ-გელის პროცესებზე

ნანო ზომის ულტრა დახვეწილი ნაწილაკები და სფერული ფორმის ნაწილაკები, თხელი ფირის საფარები, ბოჭკოები, ფოროვანი და მკვრივი მასალები, ასევე უკიდურესად ფოროვანი აეროგელები და ქსეროგელები არის უაღრესად პოტენციური დანამატები მაღალი ხარისხის მასალების შემუშავებისა და წარმოებისთვის. მოწინავე მასალები, მათ შორის კერამიკა, ძალიან ფოროვანი, ულტრამსუბუქი აეროგელები და ორგანულ-არაორგანული ჰიბრიდები შეიძლება სინთეზირებული იყოს კოლოიდური სუსპენზიებიდან ან პოლიმერებიდან თხევადში სოლ-გელის მეთოდით. მასალა ავლენს უნიკალურ მახასიათებლებს, რადგან წარმოქმნილი sol ნაწილაკები ნანომეტრის ზომაშია. ამრიგად, სოლ-გელის პროცესი ნანოქიმიის ნაწილია.
შემდგომში მიმოხილულია ნანო ზომის მასალის სინთეზი ულტრაბგერითი დამხმარე სოლ-გელის მარშრუტების მეშვეობით.

სოლ-გელის პროცესი

Sol-gel და მასთან დაკავშირებული დამუშავება მოიცავს შემდეგ ნაბიჯებს:

1. ხსნარის ან დალექვის ფხვნილის დამზადება, ხსნარის გელირება ყალიბში ან სუბსტრატზე (ფილების შემთხვევაში), ან დალექილი ფხვნილისგან და მისი გელაციიდან მეორე ხსნარის დამზადება, ან ფხვნილის სხეულად ფორმირება არა-გელის გზებით;
2. გაშრობა;
3. სროლა და ადუღება. [რაბინოვიჩი 1994]

ცხრილი 1: სოლ-გელის სინთეზის ეტაპები და ქვედა დინების პროცესები

სოლ-გელის პროცესები არის სინთეზის სველ-ქიმიური ტექნიკა ლითონის ოქსიდების ან ჰიბრიდული პოლიმერების ინტეგრირებული ქსელის (ე.წ. გელის) დასამზადებლად. როგორც წინამორბედები, ჩვეულებრივ გამოიყენება არაორგანული ლითონის მარილები, როგორიცაა ლითონის ქლორიდები და ორგანული ლითონის ნაერთები, როგორიცაა ლითონის ალკოქსიდები. სოლ – რომელიც შედგება წინამორბედების შეჩერებისგან – გარდაიქმნება გელისმაგვარ დიფაზურ სისტემად, რომელიც შედგება როგორც თხევადი, ასევე მყარი ფაზაში. ქიმიური რეაქციები, რომლებიც ხდება სოლ-გელის პროცესის დროს, არის ჰიდროლიზი, პოლიკონდენსაცია და გელაცია.
ჰიდროლიზისა და პოლიკონდენსაციის დროს წარმოიქმნება კოლოიდი (სოლი), რომელიც შედგება გამხსნელში გაფანტული ნანონაწილაკებისგან. არსებული სოლ ფაზა გარდაიქმნება გელად.
შედეგად მიღებული გელის ფაზა წარმოიქმნება ნაწილაკებით, რომელთა ზომა და ფორმირება შეიძლება მნიშვნელოვნად განსხვავდებოდეს დისკრეტული კოლოიდური ნაწილაკებიდან უწყვეტი ჯაჭვის მსგავს პოლიმერებამდე. ფორმა და ზომა დამოკიდებულია ქიმიურ პირობებზე. SiO2 ალკოგელებზე დაკვირვებებიდან შეიძლება ზოგადად დავასკვნათ, რომ ფუძე-კატალიზირებული სოლი იწვევს დისკრეტულ სახეობას, რომელიც წარმოიქმნება მონომერ-კლასტერების აგრეგაციის შედეგად, რომლებიც უფრო კომპაქტური და ძლიერ განშტოებული არიან. მათზე გავლენას ახდენს დანალექი და სიმძიმის ძალები.
მჟავით კატალიზირებული ხსნარები წარმოიქმნება ძლიერ ჩახლართული პოლიმერული ჯაჭვებისგან, რომლებიც აჩვენებენ ძალიან წვრილ მიკროსტრუქტურას და ძალიან მცირე ფორებს, რომლებიც საკმაოდ ერთგვაროვანი ჩანს მთელ მასალაში. დაბალი სიმკვრივის პოლიმერების უფრო ღია უწყვეტი ქსელის ფორმირებას აქვს გარკვეული უპირატესობები ფიზიკურ თვისებებთან დაკავშირებით მაღალი ხარისხის მინის და მინის/კერამიკული კომპონენტების ფორმირებაში 2 და 3 განზომილებაში. [Sakka et al. 1982]
შემდგომი დამუშავების ეტაპების დროს, სპინ-დაფარვით ან დაფარვით, შესაძლებელი ხდება სუბსტრატების დაფარვა თხელი ფენებით ან ხსნარის ჩამოსხმით ყალიბში, ე.წ. სველი გელის წარმოქმნით. დამატებითი გაშრობის და გაცხელების შემდეგ მიიღება მკვრივი მასალა.
ქვედა დინების პროცესის შემდგომ ეტაპებზე, მიღებული გელის შემდგომი დამუშავება შესაძლებელია. ნალექის, სპრეის პიროლიზის ან ემულსიის ტექნიკის საშუალებით შეიძლება წარმოიქმნას ულტრა წვრილად და ერთგვაროვანი ფხვნილები. ან ეგრეთ წოდებული აეროგელები, რომლებიც ხასიათდება მაღალი ფორიანობით და უკიდურესად დაბალი სიმკვრივით, შეიძლება შეიქმნას სველი გელის თხევადი ფაზის გამოყოფით. ამიტომ, ჩვეულებრივ, სუპერკრიტიკული პირობებია საჭირო.

ცხრილი 2: მეზოფორული TiO2-ის სოლ-გელის ულტრაბგერითი სინთეზი [Yu et al., Chem. კომუნ. 2003, 2078]

მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა და მისი სონოქიმიური ეფექტები

მაღალი სიმძლავრის, დაბალი სიხშირის ულტრაბგერა გვთავაზობს ქიმიური პროცესების მაღალ პოტენციალს. როდესაც ინტენსიური ულტრაბგერითი ტალღები შეჰყავთ თხევად გარემოში, წარმოიქმნება მაღალი წნევის და დაბალი წნევის ციკლების მონაცვლეობა სიხშირეზე დამოკიდებული. მაღალი წნევის ციკლები ნიშნავს შეკუმშვას, ხოლო დაბალი სიხშირის ციკლები ნიშნავს საშუალების იშვიათობას. დაბალი წნევის (იშვიათობის) ციკლის დროს მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ქმნის პატარა ვაკუუმ ბუშტებს სითხეში. ეს ვაკუუმის ბუშტები იზრდება რამდენიმე ციკლის განმავლობაში.
შესაბამისად ულტრაბგერითი ინტენსივობის მიხედვით, სითხე იკუმშება და იჭიმება სხვადასხვა ხარისხით. ეს ნიშნავს, რომ კავიტაციის ბუშტები შეიძლება მოიქცეს ორი გზით. დაბალი ულტრაბგერითი ინტენსივობით, დაახლოებით 1-3 W/cm², კავიტაციის ბუშტები ირხევა წონასწორული ზომის გარშემო მრავალი აკუსტიკური ციკლისთვის. ამ ფენომენს სტაბილურ კავიტაციას უწოდებენ. უფრო მაღალი ულტრაბგერითი ინტენსივობის დროს (10 ვტ/სმ²-მდე), კავიტაციის ბუშტები წარმოიქმნება რამდენიმე აკუსტიკური ციკლის განმავლობაში და აღწევს რადიუსს მინიმუმ ორჯერ თავდაპირველ ზომამდე, სანამ იშლება შეკუმშვის წერტილში, როდესაც ბუშტი ვეღარ შთანთქავს ენერგიას. ამას ეწოდება გარდამავალი ან ინერციული კავიტაცია. ბუშტების აფეთქების დროს ხდება ადგილობრივად წოდებული ცხელი წერტილები, ექსტრემალური პირობებით: მიღწეულია ძალიან მაღალი ტემპერატურა (დაახლოებით 5000 კ) და წნევა (დაახლოებით 2000 ატმ). კავიტაციის ბუშტის აფეთქება ასევე იწვევს 280 მ/წმ-მდე სიჩქარის სითხის ჭავლებს, რომლებიც ქმნიან ძალიან მაღალ ათვლის ძალებს. [Suslick 1998/ Santos et al. 2009]

სონო-ორმოსილი

Sonication არის ეფექტური ინსტრუმენტი პოლიმერების სინთეზისთვის. ულტრაბგერითი დისპერსიისა და დეაგლომერაციის დროს, კავიაციური ათვლის ძალები, რომლებიც ჭიმავს და არღვევს მოლეკულურ ჯაჭვებს არა შემთხვევითი პროცესით, იწვევს მოლეკულური წონის დაქვეითებას და პოლიდისპერსიულობას. გარდა ამისა, მრავალფაზიანი სისტემები ძალიან ეფექტურია დისპერსიული და ემულსიფიცირებული, ისე, რომ ძალიან თხელი ნარევებია მოწოდებული. ეს ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი ზრდის პოლიმერიზაციის სიჩქარეს ჩვეულებრივი შერევით და იწვევს უფრო მაღალ მოლეკულურ წონას დაბალი პოლიდისპერსიით.
ორმოსილები (ორგანულად მოდიფიცირებული სილიკატი) მიიღება, როდესაც სილანს ემატება გელისგან მიღებული სილიციუმი სოლ-გელის პროცესის დროს. პროდუქტი არის მოლეკულური მასშტაბის კომპოზიტი გაუმჯობესებული მექანიკური თვისებებით. Sono-Ormosils ხასიათდება უფრო მაღალი სიმკვრივით, ვიდრე კლასიკური გელები, ასევე გაუმჯობესებული თერმული სტაბილურობა. ამიტომ ახსნა შეიძლება იყოს პოლიმერიზაციის გაზრდილი ხარისხი. [როზა-ფოქსი და სხვ. 2002]

მეზოფორული TiO2 ულტრაბგერითი სოლ-გელის სინთეზის საშუალებით

Mesoporous TiO2 ფართოდ გამოიყენება როგორც ფოტოკატალიზატორი, ასევე ელექტრონიკაში, სენსორულ ტექნოლოგიაში და გარემოს გამოსწორებაში. მასალების ოპტიმიზებული თვისებების გამო, ის მიზნად ისახავს მაღალი კრისტალურად და დიდი ზედაპირის ფართობით TiO2-ის წარმოებას. ულტრაბგერითი დახმარებით sol-გელის მარშრუტს აქვს უპირატესობა, რომ TiO2-ის შინაგანი და გარეგანი თვისებები, როგორიცაა ნაწილაკების ზომა, ზედაპირის ფართობი, ფორების მოცულობა, ფორების დიამეტრი, კრისტალურობა, ისევე როგორც ანატაზას, რუტილის და ბრუკიტის ფაზების თანაფარდობა შეიძლება გავლენა იქონიოს. პარამეტრების კონტროლით.
მილანი და სხვ. (2011) აჩვენეს TiO2 ანატაზას ნანონაწილაკების სინთეზი. ამიტომ, სოლ-გელის პროცესი გამოყენებული იქნა TiCl4 წინამორბედზე და შედარებულია ორივე გზა, ულტრაბგერითი და მის გარეშე. შედეგები აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი გამოსხივება მონოტონურ გავლენას ახდენს ხსნარის ყველა კომპონენტზე, რომელიც დამზადებულია სოლ-გელის მეთოდით და იწვევს ხსნარში დიდი ნანომეტრიული კოლოიდების ფხვიერი ბმულების გაწყვეტას. ამრიგად, იქმნება პატარა ნანონაწილაკები. ადგილობრივი მაღალი წნევა და ტემპერატურა არღვევს კავშირებს გრძელ პოლიმერულ ჯაჭვებში, ისევე როგორც სუსტი რგოლები, რომლებიც აკავშირებს პატარა ნაწილაკებს, რის შედეგადაც წარმოიქმნება უფრო დიდი კოლოიდური მასები. ორივე TiO2 ნიმუშების შედარება, ულტრაბგერითი გამოსხივების თანდასწრებით და არარსებობით, ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ SEM სურათებში (იხ. სურათი 2).
 

ნახატი 2: TiO2 pwder-ის SEM გამოსახულებები, კალცინირებული 400 °C-ზე 1 საათის განმავლობაში და ჟელატინიზაციის დრო 24 სთ: (ა) თანდასწრებით და (ბ) ულტრაბგერის არარსებობის შემთხვევაში. [Milani et al. 2011]

გარდა ამისა, ქიმიურ რეაქციებს შეუძლია სარგებლობა მოახდინოს სონოქიმიური ეფექტებიდან, რომლებიც მოიცავს, მაგალითად, ქიმიური ბმების გაწყვეტას, ქიმიური რეაქტიულობის მნიშვნელოვან გაძლიერებას ან მოლეკულურ დეგრადაციას.

დასკვნა

ულტრაბგერის გამოყენება სოლ-გელის პროცესებზე იწვევს უკეთეს შერევას და ნაწილაკების დეაგლომერაციას. ეს იწვევს ნაწილაკების უფრო მცირე ზომას, სფერულ, დაბალგანზომილებიან ნაწილაკების ფორმას და გაძლიერებულ მორფოლოგიას. ეგრეთ წოდებული სონო-გელი ხასიათდება სიმკვრივით და თხელი, ერთგვაროვანი აგებულებით. ეს მახასიათებლები იქმნება ხსნარის წარმოქმნის დროს გამხსნელის გამოყენების თავიდან აცილების გამო, მაგრამ ასევე, და ძირითადად, ულტრაბგერით გამოწვეული ბადის საწყისი ჯვარედინი მდგომარეობის გამო. გაშრობის პროცესის შემდეგ, მიღებული სონოგელები წარმოადგენენ ნაწილაკების სტრუქტურას, განსხვავებით მათი კოლეგებისგან, რომლებიც მიღებულია ულტრაბგერის გამოყენების გარეშე, რომლებიც ძაფისებრია. [ესქვივიასი და სხვ. 2004]
ნაჩვენებია, რომ ინტენსიური ულტრაბგერითი გამოყენება საშუალებას იძლევა უნიკალური მასალების მორგება სოლ-გელის პროცესებიდან. ეს ხდის მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერას ძლიერ იარაღად ქიმიისა და მასალების კვლევისა და განვითარებისთვის.