سل-ژل

فرایند سل-ژل (به انگلیسی: Sol-gel) که همچنین با نام رسوب‌دهی محلول شیمیایی (به انگلیسی: Chemical Solution Deposition) از آن یاد می‌شود، یک روش شیمی تر است که درمهندسی و علم مواد و مهندسی سرامیک به طور گسترده استفاده می‌شود. این روش معمولاً برای تولید مواد (به عنوان مثال اکسید فلزات) با شروع از یک محلول کلوئیدی(سل) که به عنوان پیش‌ماده برای یک شبکه به‌هم‌پیوسته (ژل) از ذرات گسسته یا پلیمرهای شبکه‌ای است، بکار می‌رود. پیش‌ماده‌های معمول شامل آلکوکسید و نمک فلزات (از قبیل کلریدها، نیتریدها و استاتها)هستند که تحت واکنش‌های مختلف هیدرولیز و بسپارش مرحله‌ای قرار می‌گیرند.

انواع روش های سل- ژل بر اساس نوع پیش ماده مورده استفاده

تقسیم بندی بر اساس نوع نمک

۱-پیش ماده های آلکوکسیدی
۲-پیش ماده های نمک فلزی

تقسیم بندی بر اساس نوع محیط پیرامون

۱-پیش ماده های پلیمری
۲-پیش ماده های آبی

کلوئید

اصطلاح کلوئید از ترکیب دو کلمه یونانی Kolla (به معنی چسب)و eidos (به معنای شبیه)بدست آمده است که اولین بار توسط دانشمند انگلیسی بنام توماس گراهام بکار برده شد.

سل

عموماً سل عبارت است از سوسپانسیون پایدار از ذرات جامد کلوئیدی و یا پلیمری که در یک مایع قرار دارند . این ذرات می توانند آمورف و یا کریستالی باشند . ذرات جامد کلوئیدی که ابعادی نانومتری دارند از طریق دو واکنش تشکیل می شوند به زبانی ساده‌تر سل مخلوطی است از جامدهایی با اندازه‌های متفاوت و بین 1 تا 100 نانومتر در آب که ته نشین نمی‌شوند و عبارتند از:
۱) هیدرولیز: در اثر حل شدن نمک در آب، کاتیون فلزی با آب کمپلکس تشکیل می دهد . در این حالت انتقال جفت الکترون از مولکول آب به اربیتال های خالی کاتیون فلز واسطه وجود دارد . بار جزئی هیدروژن افزایش می یابد و مولکول آب خاصیت اسیدی پیدا می کند . بر اساس مقدار اسیدی بودن آب ، انواع واکنش های هیدرولیز را می توان د اشت. به طور کلی با افزایش دانسیته بار فلز، افزایش تعداد پل های یون های فلزی توسط لیگاند های اکسو و هیدروکسو و افزایش تعداد هیدروژن موجود در لیگاندها، هیدرولیز آسان تر می شود .
۲) کندانسیون: این واکنش توسط دو مکانیزم مختلف هسته دوستی انجام می شود و بستگی به عدد همسایگی فلز دارد . وقتی عدد همسایگی مورد نظر مهیا باشد، کندانسیون توسط یکواکنش جانشینی هسته دوستی انجام می شود و وقتی عدد همسایگی مورد نظر فلز مهیا نباشد، افزودنی هسته دوستی وجود دارد. واکنش کندانسیون که در واقع نوعی پلیمراسیون محسوب می شود خود به دو دسته تقسیم می شود:
۱- الیشن: یک فرایند کندانسیون است به طوری که پل های هیدروکسیدی بین دو فلز به وجود می آید.
۲- اکسیلیشن: واکنش کندانسیونی است که در آن پل های اکسیژنی بین دو فلز به وجود می آید .

مراحل تشکیل سل

مراحل تشکیل سل به طور کلی به دو دسته تقسیم بندی می شوند:
۱- تشکیل محلولی حقیقی از پیش ماده ها(پیش ماده های آلکوکسیدی یا پیش ماده های نمک فلزی) مورد نظر در حلال که می تواند آب، الکل یا اسید باشد.
۲- تشکیل محلول کلوئیدی(سل) از طریق تبدیل اتم های فلزی به کامپلکس های فلزی توسط واکنش های هیدرولیز و کندانسیون، که در واقع واکنش های به وجود آورنده ذرات کلوئیدی می باشند، با انجام این واکنش ها ذرات بزرگ شده و به ابعاد ذرات کلوئیدی یعنی ۱nm تا حدود ۱۰۰nm می رسند. در این مرحله نانوذرات که معمولاً آمورف می باشند تشکیل شده است.
۳- پایدار کردن ذرات کلوئیدی و جلوگیری از ته نشین شدن آن ها توسط یک عامل پایدار کننده. این عامل می تواند توسط کنترل عوامل محیطی از قبیل کنترل pH، دمای سل، میزان همزدن سل کنترل شود یا از طریق افزودن مواد شیمیایی کنترل گردد.

تفاوت سل با محلول

کلوئیدها از یک نظر شبیه محلولها هستند و از جهاتی دیگر بکلی با آنها متفاوتند. هر سیستم کلوئیدی حداقل دارای دو بخش است:
۱ – فاز پراکنده
۲ – محیط پراکندگی
اما محلولهای حقیقی فقط یک فاز دارند و ماده حل شده و حلال باهم یک فاز را تشکیل میدهند. تفاوت بعدی اندازه ذرات در سل یعنی کلوئیدها و اندازه ذره در محلول یعنی اتم ها و یون ها است. در سل اندازه ذرات کلوئیدی معمولاً بین ۵۰ تا ۲۰۰۰ آنگستروم است. اما در محلول اندازه اتم ها و یون ها در حد آنگستروم است.

اندازه‌های کلوییدی

اگر جسمی را که نرم ساییده شده است در آب بریزیم، یکی از سه حالت زیر پیش می‌آید:
۱. ممکن است یک «محلول حقیقی» تشکیل شود که نتیجه‌ی پراکنده شدنِ اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌های آن جسم در یک حلاّل است. اندازه‌ی ذرات در این محلول از حدود ۱nm تجاوز نمی‌کند؛
۲. این امکان وجود دارد که ذراتِ بزرگتر از حدود ۱۰۰nm باقی بمانند. این ذرات میکروسکوپی، به‌تدریج ته‌نشین می‌شوند. از آنجا که این ذرات به طور موقت معلق‌اند و بر اثر ماندن ته‌نشین می‌شوند، به مخلوط حاصل، «مخلوط معلق» یا «سوسپانسیون» می‌گویند؛
۳. ذراتی که اندازه‌ی آنها از ۱nm تا حدود ۱۰۰nm تغییر می‌کند، معمولاً به صورت پراکنده در همه‌جای محیط باقی می‌مانند. این نوع مخلوط «کلویید» نامیده می‌شود. به عبارت دیگر، در یک مخلوط کلوییدی با «نانوذرات» سروکار داریم.
کلوییدها در میانه‌ی سوسپانسیون‌ها و محلول‌ها قرار می‌گیرند، ولی ناهمگن به شمار می‌روند. محیط‌های پیوسته همچون آب یا الکل و جسم پراکنده، هرکدام وضعیت جداگانه‌ای به وجود می‌آورند.

پایدار سازی سل

منظور از پایدار سازی سل این است که ذرات کلوئیدی ته نشین نشوند و همچنان به صورت سوسپانسیون باقی بمانند تا بتوان همچنان به آن طبق تعریف سل گفته شود.پایداری و یا انعقاد سل در فرایند سل - ژل بسیار مهم می باشد و ساختار و شبکه ژل به دست آمده با اندازه و شکل ذرات تجمع یافته اولیه مرتبط می باشد .

انواع سل

سل کلوئیدی

منظور از سل کلوئیدی سلی است که در آن تشکیل ژل فقط از طریق چسبیدن(آگلومراسیون) ذرات کلوئیدی بوجود می آید.

سل های کلوئیدی مونودیسپرس

در این نوع سل ها، تمام ذرات دارای شکل و اندازه یکسان می باشند و تشکیل این نوع سل به دلیل میل شدید به آگلومره شدن بسیار دشوار است.

سل های کلوئیدی پلی دیسپرس

اکثر سیستم های کلو ئیدی به این صورت می باشند و اندازه ذرات در آنها یکسان نیست و برای بیان اندازه ذرات از متوسط مقادیر استفاده می شود.

سل های ماکرومولکولی یا پلیمری

منظور از سل پلیمری سلی است که در آن تشکیل ژل از طریق اتصال ذرات کلوئیدی توسط زنجیره های پلیمری بوجود می آید. در این سیستم ها رشد ذرات با تشکیل پلیمر صورت می گیرد و اینپلیمرها با یکدیگر اتصال برقرار کرده و سپس حلال ر ا در میان خود به تله می اندازند و سرانجام یک جسم نیمه جامد تشکیل می شود که به آن ژل می گویند. این نوع سل ها معمولاً از ارگانومتالیک های محلول در الکل حاصل می شوند.

مکانیزم پایدار سازی در سل های کلوئیدی

پایداری یک سل کلوئیدی بستگی به مقدار پتانسیل زتا دارد، به طوری که هرچه پتا نسیل زتا بیشتر باشد پایداری سل بیشتر می باشد . برای یک پتانسیل سطحی یکسان، سد و نیروی دفعی برای ذرات بزرگتر بیشتر می باشد . ارتباط متفاوت بین نیروی جاذبه و نیروی دافعه با اندازه، سبب می شود که وقتی اندازه ذرات از حدی بزرگتر شد، نیروی دافعه بر نیروی جاذبه غلبه کرده و سل پایدار شود.

موارد متاثر در انعقاد(آگلومره شدن و تشکیل ژل) در سل های کلوئیدی

اصولاً انعقاد ذرات سل ناشی از موارد زیر می باشد:
۱- کاهش پتانسیل سطحی ناشی از تغییردر pH پی اچ
۲- افزایش غلظت الکترولیت در حلال.

پپتیده شدن

در بعضی مواقع کلوئید انعقاد یافته، می تواند دوباره پخش شود که به این فرایند پپتیده شدن گفته می شود.

مکانیزم تشکیل نانوذرات در سل های کلوئیدی

سه نوع مکانیزم مختلف برای تشکیل نانو ذرات و جلوگیری از درشت شدن ذرات در سل های کلوئیدی پیشنهاد شده است که عبارتند از:

مکانیزم دافعه الکترواستاتیک[ویرایش]

مکانیزم دافعه فضایی

مکانیزم دافعه الکترواستاتیک و فضایی به صورت همزمان

مکانیزم پایدار سازی در سل های پلیمری

مکانیزم پایدار سازی در سل های پلیمری عبارتست از تشکیل یک ابر مولکول که همچون یک نخ تسبیح طویل که مهره های آن در واقع همان ذرات کلوئیدی می باشنددر سزتاسر ظرف واکنش گسترش میابد و بدین ترتیب با فراهم آوردن بستری مناسب باعث جلوکیری از رسوب ذرات کلوئیدی می گردد. در واقع این روش را می توان به درخت سیبی تشبیه کرد که در آن شاخه های اصلی و فرعی درخت همان شبکه پلیمری و میوه ها ذرات کلوئیدی می باشند که بعد از کلسیناسیون به فرم نانو ذره تبدیل می شوند.

مکانیزم تشکیل نانو ذرات در سل های پلیمری

مکانیزم تشکیل نانو ذرات در سل های پلیمری یا ماکرومولکولی هر عاملی است که موجب پایداری شبکه پلیمری یا ابر مولکولی بوجود آمده می شود. در واقع هر عاملی که بتواند مانع از کراس لینک شدن پلیمر شود و یا هر عاملی که موجب تشویق فرایند پلیمراسیون گردد. این ابر مولکول حاصل واکنش شیمیایی فی‌مابین مواد مورد استفاده جهت تشکیل یک پلیمر می باشد. به عنوان مثال در روش پچینی این ابر مولکول حاصل بسپارش مونومر استر می باشد که حاصل از واکنش استری شدن بین اسید سیتریک و اتیلن گلیکول می باشد. هر عاملی که موجب کراس لینک شدن این ابر مولکول شود برای تشکیل نانو ذرات مضر می باشد.

ژل

عبارت است از یک شبکه پیوسته سه بعدی متخلخل که یک فاز مایع را در خود جای داده است. دراکثر سیستم های سل - ژل، تشکیل ژل با ایجاد پیوندهای کووالانسی بوده و ژل برگشت پذیر نیست یعنی قابلیت برگشت به حالت سل را ندارد. اگر ژل حاصل دارای پیوندهای دیگری غیر از پیوند کووالانسی باشد می تواند برگشت پذیر باشد.

انواع ژل بر اساس مکانیزم تشکیل

ژل های کلوئیدی

در ژل کلوئیدی، شبکه توسط آگلومره شدن(چسبیدن) ذرات کلوئیدی به وجود می آید.

ژل پلیمری

در ژل پلیمری شبکه دارای یک ریز ساختار پلیمری می باشد به عبارتی واحدهای پلیمری می باشند که تشکیل ژل می دهند.

مراحل تشکیل ژل

بعد از مراحل ۳ گانه که در تشکیل سل بیان شد، مراحل تشکیل ژل که در واقع در دنباله مراحل تشکیل سل است بسته به نوع ژل(کلوئیدی یا پلیمری) عبارتند از:
۱- اگر ژل کلوئیدی باشد، از به هم چسبیدن ذرات کلوئیدی توسط نیروهای ضعیف واندروالسی در اثر تبخیر حلال پیرامون ذرات کلوئیدی بوجود می آید.
۲- اگر ژل پلیمری باشد، یعنی محیط پیرامون ذرات کلوئیدی از مولکول هایی تشکیل شده باشد که مستعد تشکیل یک زمینه پلیمری باشد، در این صورت ذرات کلوئیدی همانند کشمش در یک کیک کشمشی تثبیت می شوند، لذا با تغییر عوامل پیرامونی مثل تنظیم pH، دما و زمان و یا افزودن مواد شیمیایی می توان به پایدار سازی این شبکه پلیمری سوق پیدا کنیم. سپس با قرار دادن این ژل تشکیل شده در داخل آون می توان از شر شبکه پلیمری پیرامون آن خلاصی پیدا کرد و فقط نانو ذرات را خواهیم داشت. در نهایت با قرار دادن محصول حاصل در کوره با دانستن کمترین دمای کلسیناسیون می توان نانوذرات آمورف را به نانو ذرات کریستالین تبدیل نمود.

انواع ژل بر اساس طرز خشک شدن

زیروژل(Xerogel)

خروج حلال از حفرات در هنگام خشک کردن باعث ایجاد نیروی مویینگی شده و در نتیجه سبب انقباض شبکه ژل می شود . ژلی که در اثر خشک شدن به دست می آید زیروژل نامیده می شود. زیروژل نسبت به ژل تر اولیه معمولاً حجم کمتری دارد و به علت استرس ناشی از خشک کردن ، ژل یکپارچه خراب شده و پودر حاصل می شود .

ایروژل(aerogel)

وقتی که ژل تر تحت شرایطی خشک شود که شبکه و حفرات تغییر حجم نداده و در نتیجه حجم ژل خشک به دست آمده برابر با حجم ژل تر باشد،این ژل چون درآن انقباض رخ نداده، که به این ژل حاصل شده ایروژل گفته می شود. بسیار دانسیته کمی دارد و شدیداً متخلخل می باشد ولی در آن استرس های ناشی از انقباض وجود ندارد. اگر ژل خیس درون اتوکلاو قرار داده شود و تحت شرایط خاصی خشک شود، ممکن است میزان انقباض به دلیل حذف فشار موئینگی اندک باشد. این فرایند به خشک کردن بحرانی موسوم است و محصول حاصل نیز ایروژل نامیده می شود.

انواع ژل بر اساس نوع حلال

آلکوژل(Alchogel)

ژلی است که نوع حلال آن یک الکل بوده است.

هیدروژل(Hydrogel)

ژلی است که حلال آن آب بوده است.

منبع:ویکی پدیا