Sol-gel jarayonlariga sonokimyoviy taʼsirlar
Oʻta mayda nanooʻlchamli zarrachalar va sharsimon zarrachalar, yupqa plyonkali qoplamalar, tolalar, gʻovak va zich materiallar, shuningdek, nihoyatda gʻovak aerogellar va kserogellar yuqori samarali materiallarni ishlab chiqish va ishlab chiqarish uchun katta salohiyatga ega qoʻshimchalardir. Ilgʻor materiallarni, jumladan, masalan, keramika, juda gʻovak, oʻta yengil aerogellar va organik-noorganik gibridlarni sol-gel usuli orqali suyuqlikdagi kolloid suspenziyalar yoki polimerlardan sintez qilish mumkin. Hosil boʻladigan sol zarrachalari nanometr oʻlchamida boʻlgani uchun material oʻziga xos xususiyatlarga ega. Shu sababli sol-gel jarayoni nanokimyoning bir qismidir.
Quyida ultratovush yordamidagi sol-gel usullari orqali nanooʻlchamli materiallarni sintez qilish koʻrib chiqiladi.
Sol-gel jarayoni
Sol-gel va unga bogʻliq ishlov berish quyidagi bosqichlarni oʻz ichiga oladi:
- sol tayyorlash yoki kukunni choʻktirish, solni qolipda yoki taglik yuzasida (plyonkalar uchun) gelga aylantirish yoxud choʻktirilgan kukundan ikkinchi sol tayyorlash va uni gelga aylantirish yoki gelsiz usullar bilan kukundan jism shakllantirish;
- quritish;
- pishirish va qovushtirish. [Rabinovich 1994]
1-jadval: Sol-gel sintezi bosqichlari va undan keyingi jarayonlar
Sol-gel reaksiyalari uchun ultratovushli reaktor
Sol-gel jarayonlari metall oksidlari yoki gibrid polimerlarning yaxlit tarmogʻini (gel deb ataladi) hosil qilish uchun qoʻllanadigan nam kimyoviy sintez usulidir. Boshlangʻich moddalar sifatida odatda metall xloridlari kabi noorganik metall tuzlari va metall alkoksidlari kabi organik metall birikmalari ishlatiladi. Boshlangʻich moddalar suspenziyasidan iborat sol suyuq va qattiq fazalarni oʻz ichiga olgan gelsimon ikki fazali tizimga aylanadi. Sol-gel jarayonida sodir boʻladigan kimyoviy reaksiyalar gidroliz, polikondensatsiya va gel hosil boʻlishidir.
Gidroliz va polikondensatsiya davomida erituvchida disperslangan nanozarrachalardan iborat kolloid (sol) hosil boʻladi. Mavjud sol fazasi gelga aylanadi.
Hosil boʻladigan gel fazasi oʻlchami va shakllanishi alohida kolloid zarrachalardan uzluksiz zanjirsimon polimerlargacha keskin farq qilishi mumkin boʻlgan zarrachalardan tashkil topadi. Shakl va oʻlcham kimyoviy sharoitlarga bogʻliq. SiO2 alkogellari ustidagi kuzatuvlardan, umuman olganda, asos bilan katalizlangan sol monomer klasterlarining agregatsiyasi natijasida hosil boʻladigan, yanada ixcham va kuchli tarmoqlangan alohida tuzilmalarga olib keladi, degan xulosa chiqarish mumkin. Ularga sedimentatsiya va tortishish kuchlari taʼsir qiladi.
Kislota bilan katalizlangan sollar juda mayin mikrostrukturaga va material boʻylab ancha bir xil koʻrinadigan juda kichik gʻovaklarga ega, oʻzaro kuchli chirmashgan polimer zanjirlaridan hosil boʻladi. Zichligi past polimerlarning yanada ochiq uzluksiz tarmogʻi hosil boʻlishi 2 va 3 oʻlchamda yuqori samarali shisha va shisha/keramika komponentlarini shakllantirishda fizik xususiyatlar jihatidan muayyan afzalliklarga ega. [Sakka et al. 1982]
Keyingi ishlov berish bosqichlarida aylantirib qoplash yoki botirib qoplash orqali tagliklarni yupqa plyonkalar bilan qoplash yoxud solni qolipga quyib, nam gel deb ataladigan gelni hosil qilish mumkin. Qoʻshimcha quritish va qizdirishdan soʻng zich material olinadi.
Jarayonning keyingi bosqichlarida olingan gelga yana ishlov berish mumkin. Choʻktirish, purkash pirolizi yoki emulsiya usullari orqali oʻta mayda va bir xil kukunlar hosil qilish mumkin. Yoki nam gelning suyuq fazasini ajratib olish orqali yuqori gʻovaklik va nihoyatda past zichlik bilan tavsiflanadigan aerogellarni yaratish mumkin. Buning uchun odatda oʻta kritik sharoitlar talab qilinadi.
2-jadval: Mezogʻovak TiO2 ning ultratovushli sol-gel sintezi [Yu et al., Chem. Commun. 2003, 2078]
Yuqori quvvatli ultratovush va uning sonokimyoviy taʼsirlari
Yuqori quvvatli, past chastotali ultratovush kimyoviy jarayonlar uchun katta salohiyatga ega. Kuchli ultratovush toʻlqinlari suyuq muhitga kiritilganda, chastotaga bogʻliq tezlikda almashinadigan yuqori bosim va past bosim sikllari yuzaga keladi. Yuqori bosim sikllari siqilishni, past chastotali sikllar esa muhitning siyraklashishini anglatadi. Past bosim (siyraklashish) sikli davomida yuqori quvvatli ultratovush suyuqlikda kichik vakuum pufakchalarini hosil qiladi. Bu vakuum pufakchalari bir necha sikl davomida kattalashadi.
Ultratovush intensivligiga qarab, suyuqlik turli darajada siqiladi va choʻziladi. Bu kavitatsiya pufakchalari ikki xil tarzda harakat qilishi mumkinligini anglatadi. Taxminan 1–3 W/cm² boʻlgan past ultratovush intensivligida kavitatsiya pufakchalari koʻplab akustik sikllar davomida muvozanat oʻlchami atrofida tebranadi. Bu hodisa barqaror kavitatsiya deb ataladi. Yuqoriroq ultratovush intensivligida (10 W/cm² gacha) kavitatsiya pufakchalari bir necha akustik sikl ichida hosil boʻlib, radiusi dastlabki oʻlchamidan kamida ikki baravarga yetadi, soʻng pufakcha boshqa energiya yuta olmay qolganda siqilish nuqtasida qulaydi. Bu oʻtkinchi yoki inersion kavitatsiya deb ataladi. Pufakchaning ichkariga qulashi davomida mahalliy issiq nuqtalar deb ataladigan joylar yuzaga keladi; ularda ekstremal sharoitlar kuzatiladi: juda yuqori haroratlar (taxminan 5 000 K) va bosimlarga (taxminan 2 000 atm) erishiladi. Kavitatsiya pufakchasining ichkariga qulashi, shuningdek, tezligi 280 m/s gacha boʻlgan suyuqlik oqimchalarini hosil qiladi; ular juda yuqori siljish kuchlarini yuzaga keltiradi. [Suslick 1998/ Santos et al. 2009]
Yuqori quvvatli UIP1500hdT ultratovush qurilmasi sol-gel reaksiyalarini uzluksiz sonokimyoviy jadallashtirish uchun
Sono-Ormosil
Ultratovush bilan ishlov berish polimerlarni sintez qilish uchun samarali vositadir. Ultratovushli disperslash va deagglomeratsiya davomida molekulyar zanjirlarni tasodifiy boʻlmagan jarayonda choʻzib, uzadigan kavitatsion siljish kuchlari molekulyar massa va polidisperslikning pasayishiga olib keladi. Bundan tashqari, koʻp fazali tizimlar juda samarali disperslanadi va emulsiyalanadi, natijada juda mayin aralashmalar olinadi. Bu ultratovush odatiy aralashtirishga nisbatan polimerlanish tezligini oshirishi va pastroq polidisperslikka ega yuqoriroq molekulyar massalarni hosil qilishini anglatadi.
Ormosillar (organik modifikatsiyalangan silikat) sol-gel jarayonida geldan olingan kremniy dioksidiga silan qoʻshilganda olinadi. Mahsulot mexanik xususiyatlari yaxshilangan, molekulyar miqyosdagi kompozitdir. Sono-Ormosillar klassik gellarga qaraganda yuqoriroq zichlik va yaxshilangan termik barqarorlik bilan tavsiflanadi. Buning izohi polimerlanish darajasining oshishi boʻlishi mumkin. [Rosa-Fox et al. 2002]
Ultratovushli sol-gel sintezi orqali mezogʻovak TiO2 olish
Mezogʻovak TiO2 fotokatalizator sifatida, shuningdek, elektronika, sensor texnologiyasi va atrof-muhitni tiklashda keng qoʻllanadi. Material xususiyatlarini optimallashtirish uchun yuqori kristallilik va katta sirt maydoniga ega TiO2 ishlab chiqarish maqsad qilinadi. Ultratovush yordamidagi sol-gel usulining afzalligi shundaki, parametrlarni boshqarish orqali TiO2 ning zarracha oʻlchami, sirt maydoni, gʻovak hajmi, gʻovak diametri, kristalliligi hamda anataz, rutil va brukit fazalarining nisbatlari kabi ichki va tashqi xususiyatlariga taʼsir qilish mumkin.
Milani va boshq. (2011) TiO2 anataz nanozarrachalarining sintezini namoyish etgan. Buning uchun TiCl4 boshlangʻich moddasiga sol-gel jarayoni qoʻllangan va ikkala usul – ultratovush bilan ishlov berilgan va berilmagan usullar – taqqoslangan. Natijalar ultratovush taʼsiri sol-gel usuli bilan tayyorlangan eritmaning barcha komponentlariga “monotonous effect” deb ifodalangan taʼsir koʻrsatishini va eritmadagi yirik nanometr oʻlchamli kolloidlarning boʻsh bogʻlanishlarini uzishini koʻrsatadi. Shu tariqa kichikroq nanozarrachalar hosil boʻladi. Mahalliy yuzaga keladigan yuqori bosim va haroratlar uzun polimer zanjirlaridagi bogʻlarni, shuningdek, kichikroq zarrachalarni birlashtirib, yirikroq kolloid massalarini hosil qiladigan zaif bogʻlanishlarni uzadi. Ultratovush taʼsiri mavjud va mavjud boʻlmagan sharoitlarda olingan ikkala TiO2 namunasining taqqoslanishi quyidagi SEM tasvirlarida koʻrsatilgan (2-rasmga qarang).
2-rasm: 400 degC da 1h davomida kalsinatsiyalangan va jelatinlanish vaqti 24h boʻlgan TiO2 kukunining SEM tasvirlari: (a) ultratovush mavjudligida va (b) ultratovush yoʻqligida. [Milani et al. 2011]
Bundan tashqari, kimyoviy reaksiyalar sonokimyoviy taʼsirlardan foyda koʻrishi mumkin; bu taʼsirlarga, masalan, kimyoviy bogʻlarning uzilishi, kimyoviy reaktivlikning sezilarli oshishi yoki molekulyar parchalanish kiradi.
Sonogellar – Sonokimyoviy kuchaytirilgan sol-gel reaksiyalari
Sonokatalitik yordamdagi sol-gel reaksiyalarida boshlangʻich moddalarga ultratovush taʼsir ettiriladi. Yangi xususiyatlarga ega hosil boʻlgan materiallar sonogellar deb ataladi. Qoʻshimcha erituvchining yoʻqligi akustik kavitatsiya bilan birgalikda sol-gel reaksiyalari uchun oʻziga xos muhitni yaratadi; bu hosil boʻladigan gellarda yuqori zichlik, mayin tekstura, bir jinsli tuzilma va hokazo muayyan xususiyatlarning shakllanishiga imkon beradi. Ushbu xususiyatlar keyingi ishlov berish davomida sonogellarning oʻzgarishini va materialning yakuniy tuzilmasini belgilaydi. [Blanco et al. 1999]
Suslick va Price (1999) koʻrsatishicha, ultratovush taʼsir ettirilgan Si(OC2H5)4 suvda kislotali katalizator ishtirokida kremniy dioksidi “sonogeli”ni hosil qiladi. Si(OC2H5)4 asosida kremniy dioksidi gellarini odatiy usulda tayyorlashda etanol keng qoʻllanadigan qoʻshimcha erituvchidir, chunki Si(OC2H5)4 suvda erimaydi. Bunday erituvchilardan foydalanish koʻpincha muammoli boʻladi, chunki ular quritish bosqichida yoriqlar paydo boʻlishiga olib kelishi mumkin. Ultratovush bilan ishlov berish juda samarali aralashtirishni taʼminlaydi, shu sababli etanol kabi uchuvchan qoʻshimcha erituvchilardan foydalanmaslik mumkin. Natijada odatiy usulda ishlab chiqarilgan gellarga qaraganda yuqoriroq zichlik bilan tavsiflanadigan kremniy dioksidi sonogeli hosil boʻladi. [Suslick et al. 1999, 319f.]
Odatiy aerogellar yirik boʻsh gʻovaklarga ega past zichlikdagi matritsadan tashkil topadi. Sonogellar esa maydaroq gʻovaklarga ega boʻlib, gʻovaklari ancha sharsimon va yuzasi silliqdir. Katta burchaklar sohasida qiyaliklarning 4 dan yuqori boʻlishi gʻovak-matritsa chegaralarida elektron zichligining sezilarli tebranishlarini koʻrsatadi [Rosa-Fox et al. 1990].
Kukun namunalari yuzasining tasvirlari ultratovush toʻlqinlaridan foydalanish zarrachalarning oʻrtacha oʻlchamida yuqoriroq bir xillikka va kichikroq zarrachalar hosil boʻlishiga olib kelganini yaqqol koʻrsatadi. Ultratovush bilan ishlov berish tufayli oʻrtacha zarracha oʻlchami taxminan 3 nm ga kamayadi. [Milani et al. 2011]
Ultratovushning ijobiy taʼsirlari turli tadqiqotlarda isbotlangan. Masalan, Neppolian va boshq. oʻz ishlarida mezogʻovak nanooʻlchamli TiO2 zarrachalarining fotokatalitik xususiyatlarini oʻzgartirish va yaxshilashda ultratovush bilan ishlov berishning ahamiyati va afzalliklari haqida xabar beradi. [Neppolian et al. 2008]
Ultratovushli sol-gel reaksiyasi orqali nanoqoplama hosil qilish
Nanoqoplama materialni nanomiqyosdagi qatlam bilan qoplash yoki nanooʻlchamli obyektni qoplashni anglatadi. Shu tariqa kapsulalangan yoki yadro-qobiq tuzilmalari olinadi. Bunday nanokompozitlar komponentlarning birgalikdagi oʻziga xos xususiyatlari va/yoki tuzilma hosil qiluvchi taʼsirlari tufayli yuqori samarali fizik va kimyoviy xususiyatlarga ega boʻladi.
Misol sifatida indiy-qalay oksidi (ITO) zarrachalarini qoplash tartibi namoyish etiladi. Chen (2009) tadqiqotida koʻrsatilganidek, indiy-qalay oksidi zarrachalari ikki bosqichli jarayonda kremniy dioksidi bilan qoplanadi. Birinchi kimyoviy bosqichda indiy-qalay oksidi kukunining yuzasiga aminosilan bilan ishlov beriladi. Ikkinchi bosqich ultratovush bilan ishlov berish sharoitida kremniy dioksidi bilan qoplashdan iborat. Ultratovush bilan ishlov berish va uning taʼsirlariga aniq misol keltirish uchun Chen tadqiqotida taqdim etilgan jarayon bosqichi quyida qisqacha bayon qilinadi:
Ushbu bosqich uchun odatiy jarayon quyidagicha: 10g GPTS xlorid kislota (HCl) bilan kislotalangan 20g suv (pH = 1,5) bilan asta-sekin aralashtirildi. Soʻng 100ml shisha idishdagi aralashmaga yuqorida aytilgan, aminosilan bilan ishlov berilgan kukundan 4g qoʻshildi. Keyin idish chiqish quvvati 60W yoki undan yuqori boʻlgan uzluksiz ultratovush taʼsirini berish uchun ultratovush qurilmasining zondi ostiga joylashtirildi.
Sol-gel reaksiyasi taxminan 2–3min ultratovush taʼsiridan soʻng boshlandi; bunda GLYMO (3-(2,3-Epoxypropoxy)propyltrimethoxysilane) ning keng koʻlamli gidrolizi vaqtida spirt ajralishi tufayli oq koʻpik hosil boʻldi. Ultratovush bilan ishlov berish 20min davomida qoʻllandi, shundan soʻng eritma yana bir necha soat aralashtirildi. Jarayon tugagach, zarrachalar sentrifugalash orqali yigʻib olindi va suv bilan takroran yuvildi, keyin tavsiflash uchun quritildi yoki suvda yoxud organik erituvchilarda disperslangan holda saqlandi. [Chen 2009, p.217]
Xulosa
Sol-gel jarayonlariga ultratovush qoʻllash yaxshiroq aralashtirishga va zarrachalarning deagglomeratsiyasiga olib keladi. Natijada zarrachalar oʻlchami kichrayadi, ularning shakli sharsimon va past oʻlchamlilikka ega boʻladi hamda morfologiyasi yaxshilanadi. Sonogellar deb ataladigan gellar oʻz zichligi va mayin, bir jinsli tuzilmasi bilan tavsiflanadi. Bu xususiyatlar sol hosil boʻlishida erituvchidan foydalanilmasligi, shuningdek, asosan ultratovush tufayli yuzaga keladigan toʻrsimon tuzilmaning dastlabki koʻndalang bogʻlangan holati sababli shakllanadi. Quritish jarayonidan soʻng hosil boʻlgan sonogellar zarrachali tuzilmaga ega boʻladi, ultratovush qoʻllanmasdan olingan muqobillari esa ipsimon tuzilmaga ega. [Esquivias et al. 2004]
Kuchli ultratovushdan foydalanish sol-gel jarayonlari orqali oʻziga xos materiallarni kerakli xususiyatlarga moslab olish imkonini berishi koʻrsatilgan. Bu yuqori quvvatli ultratovushni kimyo va materiallarni tadqiq qilish hamda ishlab chiqish uchun kuchli vositaga aylantiradi.
UIP1000hdT, 1000 vatt quvvatli ultratovushli gomogenizator sonokimyoviy yaxshilangan sol-gel sintezi uchun
Adabiyotlar/Manbalar
- Hernández, R.; Hernández-Reséndiz, J.R.; Cruz-Ramírez, M.; Velázquez-Castillo, R.; Escobar-Alarcón, L.; Ortiz-Frade, L.; Esquivel, K. (2020): Au-TiO2 Synthesized by a Microwave- and Sonochemistry-Assisted Sol-Gel Method: Characterization and Application as Photocatalyst. Catalysts 2020, 10, 1052.
- Isabel Santacruz, M. Isabel Nieto, Jon Binner, Rodrigo Moreno (2009): Gel casting of aqueous suspensions of BaTiO3 nanopowders. Ceramics International, Volume 35, Issue 1, 2009. 321-326,
- Blanco, E.; Esquivias, L.; Litrán, R.; Pinero, M.; Ramírez-del-Solar, M.; Rosa_Fox, N. de la (1999): Sonogels and Derived Materials. Appl. Organometal. Chem. 13, 1999. pp. 399-418.
- Chen, Q. (2009): Silica coating of nanoparticles by sonogel process. SIMTech 10/4, 2009. pp. 216-220.
- Esquivias, L.; Rosa-Fox, N. de la; Bejarano, M.; Mosquera, M. J. (2004): Structure of Hybrid Colloid-Polymer Xerogels. Langmuir 20/2004. pp. 3416-3423.
- Li, X.; Chen, L.; Li, B.; Li. L. (2005): Preparation of Zirconia Nanopowders in Ultrasonic Field by the Sol-Gel Method. Trans Tech Pub. 2005.
- Rabinovich, E. M. (1994): Sol-Gel Processing – General Principles. In: L. C. Klein (Ed.) Sol-Gel Optics: Processing and Applications. Kluwer Academic Publishers: Boston, 1994. pp. 1-37.
- Rosa-Fox, N. de la; Pinero, M.; Esquivias, L. (2002): Organic-Inorganic Hybrid Materials from Sonogels. 2002.
- Rosa-Fox, N. de la; Esquivias, L. (1990): Structural Studies of silica sonogels. J. Non-Cryst. Solids 121, 1990. pp. 211-215.
- Sakka, S.; Kamya, K. (1982): The Sol-Gel Transition: Formation of Glass Fibers & Thin Films. J. Non-Crystalline Solids 38, 1982. p. 31.
- Santos, H. M.; Lodeiro, C.; Martínez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: J.-L. Martínez (ed.): Ultrasound in Chemistry: Analytical Applications. Wiley-VCH: Weinheim, 2009. pp. 1-16.
- Agda Aline Rocha de Oliveira, Bruna Borba de Carvalho, Herman Sander Mansur, Marivalda de Magalhães Pereira (2014): Synthesis and characterization of bioactive glass particles using an ultrasound-assisted sol–gel process: Engineering the morphology and size of sonogels via a poly(ethylene glycol) dispersing agent.
Materials Letters, Volume 133, 2014. 44-48. - Suslick, K. S.; Price, G. J. (1999): Applications of Ultrasound to Materials Chemistry. Annu. Rev. Mater. Sci. 29, 1999. pp. 295-326.
- Suslick, K. S. (1998): Sonochemistry. In: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 26, 4th. ed., J. Wiley & Sons: New York, 1998. pp. 517-541.
- https://www.hielscher.com/sonochem