Sol-gel
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Con il termine sol-gel si indica una sospensione colloidale in grado di solidificare formando un gel. Il prodotto poroso ottenuto viene quindi purificato chimicamente e scaldato ad alte temperature, formando ossidi di elevata purezza. Il gel può anche essere addizionato di sostanze dopanti con lo scopo di conferire particolari proprietà al solido vetroso ottenuto. Può essere sfruttato in diversi ambiti produttivi, tra i quali la produzione di ceramiche, la fabbricazione di pezzi per colatura del fuso, per la produzione di aerogel e rivestimenti molto sottili di ossidi metallici.
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[modifica] Processo sol-gel
Il processo sol-gel viene sfruttato per ottenere materiali vetrosi o ceramici. Questo processo implica il passaggio da una fase liquida di sol a una fase solida di gel. Il processo sol-gel viene utilizzato per ottenere materiali caratterizzati dal possedere varie proprietà: polveri ultra-fini, ceramiche e vetri monolitici, fibre ceramiche, membrane inorganiche, rivestimenti in film sottile e aerogel. La chimica dei sol-gel rappresenta quindi un approccio notevolmente versatile per la fabbricazione di questi materiali. In tal modo gli scienziati sono riusciti a produrre i materiali più leggeri che siano noti e alcune ceramiche caratterizzate dalla più alta tenacità che si conosca.
Il sol è costituito da particelle solide del diametro di poche centinaia di nanometri, solitamente sali inorganici di metalli, sospesi in fase liquida. In un tipico processo sol-gel, una serie di reazioni di idrolisi e di polimerizzazione formano, a partire da un sol, una sospensione colloidale; successivamente le particelle passano a una nuova fase gel in cui in una macromolecola solida è immerso e inglobato un liquido. In particolare, l'drolisi tende tende a generare legami -OH mentre tramite polimerizzazione tali legami tendono a trasformarsi in nuovi legami -O-.
Il primo processo sol-gel a essere stato brevettato fu quello dovuto a Geffcken, inventato nel 1939 per una compagnia tedesca produttrice di lastre di vetro per finestre. Negli anni 1950 fu sviluppato un processo sol-gel per la produzione di polveri radioattive di UO2 e ThO2 per combustibili nucleari, utilizzando così particelle poco disperdibili nell'ambiente. La ricerca nell'ambito dei sol-gel ebbe il suo maggiore sviluppo durante gli anni 1990, quando si ebbe un grosso picco di pubblicazioni al riguardo.
[modifica] Applicazioni
Le applicazioni dei prodotti sol-gel derivati sono numerose e varie. Uno dei più grandi campi di applicazione riguarda la produzione di film sottili, depositabili su un substrato solido tramite spin coating o dip coating. Altri metodi includono lo spruzzo, l'elettroforesi, la stampa a getto di inchiostro o il roll coating. I rivestimenti ottici, rivestimenti protettivi e decorativi, e componenti ottico-elettronici possono essere applicati a vetri, metalli e altri tipi di substrato sfruttando questi metodi.
Per colata del fuso in uno stampo, e successivo essiccamento e trattamento termico, si possono ottenere dei pezzi ceramici o vetrosi densi con caratteristiche proprietà e che non possono essere ottenuti utilizzando altri metodi. Ad esempio, in questo modo si ottengono agevolmente e basso costo specchi e lenti utilizzati in ottica, facendo ricorso a un sol-gel.
Facendo rientrare la viscosità di un sol all'interno di un definito intervallo di valori è possibile ottenere fibre ottiche e fibre ceramiche, utilizzate rispettivamente come sensori ottici e isolanti termici.
Polveri ceramiche e ultrafini si possono ottenere per precipitazione. Queste polveri a singolo o multiplo componente possono essere lavorate in particelle di dimensioni inferiori al micron che trovano applicazione in odontoiatria e nell'ambito biomedico. Polveri composite sono state brevettate per la produzione di erbicidi e prodotti chimici agrari. Utilizzando un processo sol-gel è anche possibile ottenere polveri abrasive utilizzate in vari processi di finitura.
Una delle più importanti applicazioni del processo sol-gel riguarda la sintesi delle zeoliti. Altri elementi (metalli, ossidi metallici) possono essere facilmente incorporati nel prodotto finale e il sol così ottenuto risulta molto stabile.
Altri prodotti fabbricati con questo processo includono varie membrane ceramiche per la microfiltrazione, ultrafiltrazione, nanofiltrazione, pervaporazione e osmosi inversa.
Se in un gel umido il liquido viene rimosso in condizioni supercritiche si ottiene un aerogel, materiale altamente poroso e caratterizzato da densità estremamente bassa. Essiccando il gel a basse temperature (25-100 °C) è possibile ottenere matrici solide porose chiamate xerogel.
[modifica] Bibliografia
- C. Jeffrey Brinker, George W. Scherer, Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing Academic Press, 1990
- John D. Wright, Nico A.J.M. Sommerdijk, Sol-Gel Materials: Chemistry and Applications
- L.L.Hench, J.K.West The Sol-Gel Process Chem. Rev. 1990, 90, 33-72
