Hình 1 .7 Quá trình dao động tập thể của các điện tử trên bề mặt hạt vàng
Hình 1.24 Quá trình sol-gel và sản phẩm của nó
1.3.2.2. Một số khái niệm cơ bản[1],[11]
Precursor
Quá trình Sol-gel thƣờng liên quan đến Precursors hay còn gọi là alkoxit kim loại M(OR)z. Precursors chính là những phần tử ban đầu để tạo những hạt keo (Sol). Nó đƣợc tạo thành từ các thành tố kim loại hay á kim, đƣợc bao quanh bởi những ligand khác nhau. Các precursors có thể là chất vô cơ kim loại hay hữu cơ kim loại.
Ở đây M=Si, Ti, Zr, Al, Sn, Ce,…; OR là nhóm alkoxy (R là nhóm alkyl có công thức: CnH2n+1) và z là hóa trị của kim loại.
Hệ Sol
Từ “Sol” là từ đầu của danh từ “Solution”, cũng chính là trạng thái tồn tại ổn định của các hạt keo colloide bên trong chất lỏng.Các hạt keo này là những phần tử rắn có kích thƣớc trong khoảng 1 đến 10 nm. Trên thực tế mỗi phần tử này chứa khoảng vài chục đến vài trăm nguyên tử và là trạng thái trung gian để tạo ra các hạt lớn hơn. Do các hạt này có kích thƣớc quá nhỏ nên lực hút là không đáng kể và lực tƣơng tác giữa chúng là lực Val der Waals. Các phân tử trong dung dịch va chạm lẫn nhau làm các hạt chuyển động ngẫu nhiên. Sol có thời gian bảo quản tới hạn vì các hạt sol hút nhau dẫn đến đông tụ các hạt keo.
Hệ Gel
Sol tồn tại đến một thời điểm mà các hạt keo kết tụ lại với nhau. Các thành phần rắn, lỏng trong dung dịch liên kết chặt chẽ hơn tạo nên chất kết dính, ta gọi sản phẩm mới tạo thành là gel.
Sự phát triển của các hạt trong dung dịch là sự ngƣng tụ, làm tăng số liên kết Kim loại- Oxide- Kim loại tạo thành một mạng lƣới trong khắp dung dịch.
Sấy khô bằng cách bay hơi ở điều kiện bình thƣờng, áp suất mao dẫn tăng làm cho mạng gel bị khô, các hạt kết tụ lại với nhau và giảm thể tích so với ban đầu, ta thu đƣợc sản phẩm gọi là gel khô (xerogel).
Nếu gel đƣợc loại đi dung môi bằng cách sấy ở điều kiện siêu tới hạn (không có sự giao tiếp giữa pha lỏng và hơi) thì sản phẩm nhận đƣợc ít bị co hơn và gọi là gel khí (aerogel).[5], [19]
1.3.2.3. Các quá trình chính xảy ra trong Sol-gel [29,[49]
Trong quá trình sol-gel các phần tử trung tâm trải qua 2 phản ứng hóa học cơ bản: phản ứng thủy phân và phản ứng ngƣng tụ (dƣới xúc tác axit hoặc bazơ) để hình thành một mạng lƣới trong toàn dung dịch.
Thủy phân và ngƣng tụ là quá trình đầu tiên và quan trọng nhất trong phƣơng pháp sol-gel. Đây là giai đoạn quyết định tính chất và cấu trúc gel cũng nhƣ cấu trúc màng trong các giai đoạn sau. Do đó phản ứng thủy phân – ngƣng tụ cần đƣợc kiểm soát chặt chẽ để thu đƣợc sản phẩm mong muốn.
Phản ứng thủy phân
Phản ứng thủy phân là quá trình thay thế các gốc alkoxy (RO) kết hợp với kim loại M (Si, Ti, Zr, Sn, In, Al, Mg,...) bằng gốc hydroxit (OH).