Phương pháp chế tạo vật liệu nano



Sol-Gel là một phương pháp hoá ướt thường
dùng để chế tạo vật liệu (điển hình là các
oxit kim loại ). Phương pháp này đi từ các
phần tử huyền phù dạng keo rắn (precursor)
trong chất lỏng (sol) để tạo thành một
mạng lùi vô cơ liên tục dựa trên nền tảng
pha rắn (gel) thông qua cơ chế của các
phản ứng hóa học (thủy phân và ngưng tụ)





Precursor là những phần tử ban đầu
để tạo những hạt keo (sol), nó được
tạo thành từ các nguyên tố kim loại
hay á kim và được bao quanh bởi
những ligand khác nhau.



Công thức chung của các precursor :
M(OR)x
với M là kim loại và R là
nhóm alkyl có công thức: CnH2n+1 .




Những hợp chất cơ kim được sử
dụng phổ biến nhất là các
alkoxysilans như là
Tetramethoxysilan (TMOS)
( Si(OCH3)4 ), Tetraethoxysilan (TEOS)
( Si(OC2H5)4 ). Ngoài ra còn có các
alkoxy khác như Aluminate, Titanate
và Borat cũng được sử dụng phổ
biến trong quá trình Sol-gel .


-Sol dùng để mô tả sự
phân tán của các hạt keo
trong chất lỏng. Các hạt
keo này là những phần
tử rắn có kích thước trong
khoảng 1 đến 100 nm,
chứa khoảng vài chục
vài trăm
nguyên
tử là lực Van
- đến
Lực tương
tác giữa
chúng
vàWaals.
là trạng
trung
der

Cácthái
phân
tử gian
trong dung dòch
để
tạo lẫn
các nhau
hạt lớn
hơn
. hạt chuyển
va
chạm
làm
các
động ngẫu nhiên Brown
- Sol có thời gian bảo quản tới hạn vì
các hạt Sol hút nhau dẫn đến đông tụ
các hạt keo




Sol tồn tại trong dung dòch đến một thời điểm
nhất đònh thì các hạt keo hút lẫn nhau tạo thành
những phần tử lớn hơn. Các phần tử này phát
triển đến kích thước cỡ 1nm thì tùy thuộc vào
xúc tác có mặt trong dung dòch mà chúng tiếp
tục phát triển theo những hướng khác nhau.









Sol tồn tại đến thời điểm mà các hạt keo kết tụ lại
với nhau và cấu trúc của thành phần rắn, lỏng
trong dung dòch liên kết chặt chẽ hơn tạo nên một
chất kết dính được gọi là Gel .
Để tạo được Gel, ta phải tăng nồng độ dung dòch,
thay đổi độ pH hoặc tăng nhiệt độ để hạ rào cản
tónh điện giúp cho các hạt tương tác và kết tụ với
nhau .
Sấy khô gel bằng cách bay hơi ở điều kiện bình
thường, áp suất mao dẫn tăng làm cho mạng gel
khô dần, các hạt kết tụ lại với nhau và giảm thể
tích so với ban đầu (5-10 lần so với gel ướt - wet gel ),
ta thu được sản phẩm gọi là gel khô (xerogel ) .
Nếu gel được loại đi dung môi bằng cách sấy ở điều
kiện siêu tới hạn (không có sự tiếp xúc giữa pha
lỏng và hơi , ở điều kiện siêu tới hạn về nhiệt độ
và áp suất) thì sản phẩm nhận được ít bò co hơn và
gọi là gel khí (aerogel) .



Thủy phân –ngưng tụ

 Gel hóa
 Đònh hình
 Sấy
 Thiêu kết





Thủy phân

M(OR)n +
nH2O
gưng tụ
Ngưng tụ rượu:
M(OR)n + M(OH)n
Ngưng tụ nước:
M(OH)n + M(OH)n
+ H2O

M(OH)n + nROH

M-O-M + ROH
M-O-M

Những phản ứng này xảy ra đồng thời
và thường không hoàn toàn, nhưng oxit
cuối cùng vẫn hình thành Kết quả của
những phản ứng trên là dạng chất keo
huyền phù của những phần tử cực kì nhỏ

(1-10 nm) và sau cùng tạo ra dạng liên kết
ba chiều của những oxit vô cơ tương ứng


-Quá trình gel hóa còn được gọi là
quá trình chuyển tiếp trong cơ chế
Sol-Gel, bắt đầu bằng sự kết tụ để
thành dạng rắn có dạng hình học
và tiếp tục phát triển cho đến khi
tạo thành mạng trong toàn dung
dòch.
-Sự đa ngưng tụ của các alkoxide
hữu cơ trong một thời gian sẽ tạo
thành những phần tử keo liên kết
với nhau để tạo thành mạng ba
chiều.



- Quá trình đònh hình này trải qua ba
bước gồm : tiếp tục ngưng tụ, co
ngót (syneresis) (shrinkage) và hóa
thô (coarsening). Sự trùng hợp của
những nhóm hydroxyl không phản
ứng làm tăng thêm sự kết nối của
mạng gel, quá trình này xảy ra song
song với hiện tượng co rút. Syneresis
là hiện tượng co ngót tự phát tống
đẩy chất lỏng trong lỗ xốp ra
ngoài.

-


-Sau cùng là sự hóa thô (coarsening)
liên quan tới quy trình của sự hòa
tan và tiền lắng tụ, được điều
khiển bởi sự chênh lệch của tính
tan được giữa những bề mặt với
bán kính khác nhau. Quá trình này
không tạo ra sự co của cấu trúc
mạng nhưng có ảnh hưởng đến độ
bền của gel và phụ thuộc vào các
nhân tố ảnh hưởng đến sự hòa
tan như: nhiệt độ, độ pH, nồng độ
và loại dung môi.


- Vấn đề đáng lưu ý là tránh sự đứt
gãy của mạng gel trong quá trình nung,
bởi vì sức căng xảy ra là do lực mao
dẫn tại bề mặt chung của khí – lỏng.
Khe nứt sẽ được tạo ra nếu sự chênh
lệch của sức căng này mạnh hơn sức
căng của vật liệu.
- Dung dòch phải trực tiếp cho bay hơi
chất lỏng tại vận tốc rất thấp.
- Thêm vào chất phụ gia hóa học điều
khiển quá trình nung khô

-Đây là quá trình kết chặt
khối mạng, được điều khiển
bởi năng lượng phân giới.
Mạng rắn dòch chuyển nhờ lưu
lượng nhớt hay sự khuếch tán
để loại trừ lỗ xốp.




Nhiệt độ , thời gian phản ứng
 Độ pH của dung dòch
 Nồng độ chất phản ứng
 Loại xúc tác và nồng độ chất xúc
tác
 Nhiệt độ và thời gian sấy
 Tỷ số r (H2O:M)
 Dung môi phân cực hay không phân
cực



- Có rất nhiều phương pháp phủ
màng từ dung dòch sol - gel: phủ
nhúng (dip coating), quay (spin coating),
phun (spray coating), phủ mao dẫn ,
phủ lăn tròn , phủ hóa học...
- Mỗi phương pháp đều có ưu, nhược
điểm riêng và màng tạo ra từ
những phương pháp khác nhau thì

cũng có những tính chất khác nhau.



-Phủ nhúng là phương pháp mà đế nền được
nhúng hoàn toàn vào dung dòch phủ và sau đó
được rút lên với một vận tốc thích hợp trong
điều kiện nhiệt độ và áp suất cố đònh. Độ
dày màng phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ kéo
màng, độ nhớt của dung dòch, mật độ và kích
thước của phần tử rắn trong dung dòch .