Các hạt cầu silica (SiO2) kích thước 280 – 360 nm được chế tạo theo phương pháp Stober [55]. Hình 2.1 mô tả quá trình thí nghiệm. Đầu tiên là quá trình thủy phân và ngưng tụ của tetraethyl orthosilicate (TEOS - Si(OC2H5)4) trong hỗn hợp dung dịch ethanol (C2H5OH), nước (H2O) và ammonium hydroxide (NH4OH) với tỷ lệ thể tích 0,25 – 0,60 ml TEOS (98%, Aldrich); 17,0 ml C2H5OH (99.8%); 2,2 ml H2O (99.9%) và 1,5 ml NH4OH (29%). Hỗn hợp được khuấy từ trong 4 giờ tại nhiệt độ 30 oC sẽ thu được dung dịch huyền phù màu trắng sữa. Các hạt cầu SiO2 được tách ra khỏi dung dịch bằng cách quay ly tâm dung dịch với tốc độ 3500 vòng/phút (rpm) trong 10 phút và rửa 3 lần bằng nước cất. Kích thước hạt SiO2 được điều chỉnh bằng thể tích TEOS cho vào trong khi các hóa chất khác vẫn giữ nguyên. Sau đó, các hạt cầu SiO2 được phân tán vào nước để chế tạo tinh thể quang tử opal.
Hình 2. 1. Qui trình chế tạo hạt cầu silica.
Cơ chế hóa học hình thành các hạt SiO2 nano có thể mô tả tóm tắt: TEOS thủy phân trong dung môi C2H5OH có chất xúc tác NH4OH và H2O. Trải qua một chuỗi phản ứng hóa học liên tiếp, các hạt cầu SiO2 phát triển và lớn dần trong dung dịch bazơ có độ pH cao [57].
Cụ thể là, nhóm ethoxy (C2H5O) của TEOS phản ứng với nước để tạo ra thành sản phẩm thủy phân và ethanol.
Si(OC2H5)4 + xH2O ➔ Si(OC2H5)4 - x(OH)x + xC2H5OH
Nhóm hydroxyl của sản phẩm thủy phân lại tiếp tục phản ứng với các nhóm ethoxyl khác của TEOS tạo giải phóng ra ethanol.
Si-OC2H5 + HO-Si ➔ Si-O-Si + C2H5OH
Sản phẩm thủy phân chứa các nhóm hydroxyl phản ứng với nhau để tạo ra SiO2 và giải phóng nước.
Si-OH + HO-Si ➔ Si-O-Si + H2O
Si(OC2H5)4 + 4H2O ➔ Si(OH)4 + 4C2H5OH (thủy phân) Si(OH)4 ➔ SiO2 + H2O (ngưng tụ)