Trong những năm gần đây, phơng pháp này đã đợc sử dụng nhiều để tổng hợp các oxit phức hợp. Phơng pháp này cho phép trộn đều các chất ban đầu ở mức độ lý tởng.
Các bớc của phơng pháp sol-gel là:
Dung dịch → sol → gel → xerogel → oxit phức hợp.
Từ các sản phẩm của sol - gel ta có thể tạo ra các vật liệu là oxit phức hợp hạt mịn, có tính đồng nhất và độ tinh khiết hóa học. Tuy nhiên đây là một quy trình hóa học chính xác và phức tạp.
Các hạt sol có thể lớn lên và đông tụ để hình thành mạng polime liên tục hay gel chứa các bẫy hạt dung môi. Phơng pháp làm khô sẽ xác định các tính chất của sản phẩm cuối cùng: gel có thể đợc nung nóng để loại trừ các phân tử dung môi, gây áp lực lên mao quản và làm sụp đổ mạng gel, hoặc làm khô siêu tới hạn, cho phép loại bỏ các phân tử dung môi mà không làm sụp đổ mạng gel . Sản phẩm cuối cùng thu đợc từ phơng pháp làm khô siêu tới hạn gọi là aerogel, theo phơng pháp nung gọi là xerogel. Bên cạnh gel còn có thể thu đợc nhiều loại sản phẩm khác.
cùng, kích thớc các hạt thu đợc lớn, cần nhiều thao tác tiêu hao nhiều năng lợng và thời gian... Phơng pháp sol-gel có nhiều thuận lợi hơn nh:
* Cho sản phẩm tinh khiết: Vì quá trình sử dụng các phân tử tiền chất không phải là các khối vật liệu lớn nên có thể áp dụng các kỹ thuật tinh chế nh chng cất, thăng hoa, sắc ký và kết tinh lại.
* Tính đồng nhất của sản phẩm cao, dễ điều khiển tỷ lệ hóa học: quá trình sol-gel cho phép lấy những lợng chính xác các chất dầu, trộn với nhau theo tỷ lệ chính xác vào dung dịch, sự phân tán các chất ở mức độ phân tử nên tỷ lệ hóa học của sản phẩm đạt đợc nh mong đợi. Điều này đặc biệt quan trọng trong tổng hợp các vật liệu cao cấp, đòi hỏi tỷ lệ chính xác của các cấu tử trong vật liệu nh các chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao - TC.
* Điều chỉnh các tính chất của gốm thông qua điều chỉnh các thông số. Sự thay đổi điều kiện phản ứng nh pH, nhiệt độ, nồng độ, tốc độ của sự thuỷ phân, sự đông tụ ảnh hởng đến hình thái học và độ lớn các hạt sản phẩm cuối cùng.
* Tổng hợp ở nhiệt độ thấp. Vì sản phẩm gel/bột khô đồng nhất và kích thớc hạt nhỏ hơn phơng pháp xay nghiền - thiêu kết, sự lớn lên của tinh thể có thể thu đợc ở nhiệt độ thấp. Điều này cho phép tổng hợp các pha kém bền và có thể có sự tham gia của các phân tử hữu cơ kém bền nhiệt trong sản phẩm cuối cùng. Sau khi làm mất các chất dễ bay hơi, pha vô định hình có thể đợc hình thành. Nhiệt độ thấp tránh đợc ảnh hởng về sự thiêu kết các hạt.
Do phản ứng phức tạp nên khó có thể xác định đợc cơ chế của phản ứng. Tuy nhiên, bằng các mô hình toán học và tính toán lợng tử cho phép chúng ta hiểu một cách sâu sắc và dự đoán các xu hớng có thể có trong quá trình chuyển hoá tiền chất, vì thế có thể điều chỉnh các yếu tố ảnh hởng để tổng hợp sản phẩm theo mong muốn.
Vì hầu hết các alkoxide đều không hoà tan, không trộn lẫn với nớc, nên sự thuỷ phân của các alkoxide xuất hiện khi thêm nớc vào trong các dung dịch
không nớc của alkoxide (nh rợu). Sự thuỷ phân xảy ra thuận lợi khi tính nucleophin của tác nhân càng lớn (nh các chất mang điện tích âm nh nhóm
OH-...) hoặc nhóm đi ra mang một phần điện tích dơng, tách rời nguyên tử trung
tâm mang điện tích dơng (nh H2O, ROH...).
Sau khi thuỷ phân đợc một monome hoạt động, sự đông tụ tiếp theo xảy ra theo một trong ba cơ chế .
(i) Sự oxo hoá: Phản ứng giữa 2 phân tử M-OH hình thành một cầu nối oxo và tách ra một phân tử nớc.
M-OH + M-OH → M(à-OH)M-OH
M(à-OH)M-OH → M-O-M-(HOH)
M-O-M-(HOH) → M-O-M + H2O
(ii) Sự alcol hoá: Phản ứng giữa M-OH và alkoxide kết quả hình thành cầu nối "ol", sản phẩm này tiếp theo đó chịu sự chuyển dời proton để hình thành nhóm ROH dễ tách hơn.
M-OH + M-OR → M(à-OH)M-OR
M(à-OH)M-OR → M-O-M-(HOR)
M-O-M-(HOR) → MOM + ROH
(iii) Sự ol hoá: Khi ion kim loại trung tâm cha đạt đến số phối trí bão hoà (khi đợc phối trí bởi các phân tử nớc hoặc dung môi) cầu nối hydroxo có thể đ- ợc hình thành:
M-OH + M-(HOR) → M(à-OH)M-ROH
Và M-OH + M-(HOH) → M(à-OH)M + H2O
Vật liệu tổng hợp theo phơng pháp sol-gel đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nh quang, điện, từ, xúc tác, phân tách, sensor.... Vật liệu cấp từ hạt nano có thể thu đợc khi thuỷ phân trực tiếp alkoxide kim loại hoặc phân tán các pha hạt
từ trong chất nền vô định hình, không có từ tính nh SiO2, Al2O3, PVC... Bên
pháp phân tán còn có những u điểm nh: Tránh đợc sự thiêu kết các hạt trong quá trình nung, điện trở của vật liệu lớn, giảm dòng xoáy giữa các hạt nên giảm mất mát năng lợng khi hoạt động ở tần số cao.