METODO SOL GEL

Un progreso considerable ha tenido cabida en la ultima década en el entendimiento de la química del proceso y de los mecanismos físicos involucrados en las etapas de sinterizacion de los geles obtenidos desde los geles precursores. La técnica Sol-Gel ha sido explotada para elaborar nuevas composiciones de cristales, nuevos sistemas cerámicos y compuestos de útiles propiedades.

Sinterización: Es el tratamiento térmico de un polvo o compactado metálico o cerámico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para aumentar la resistencia mecánica de la pieza, ya que se ha aumentado el tamaño de grano.

Sistemas Multicomponentes: Permite diferentes combinaciones de materiales que ofrecen ventajas como tiempos de ciclos reducidos.

La tecnología Sol-Gel permite la síntesis de cerámicas homogéneas tanto de grano fino como de grano grueso y ofrece control de pureza química y cristalina. Esta permite también el control del proceso de manufactura a escala micro y macroscópica.

Oxidos multicomponentes pueden ser formados vía proceso Sol-Gel. Los constituyentes individuales son combinados como líquidos, resultando una mezcla a nivel atómico.

Este proceso depende de la habilidad de uno o muchos componentes actuando como un formador (plasmador, matriz) del gel. En el caso de composiciones bien definidas, en las cuales las impurezas son cuidadosamente controladas, existen dos métodos para la obtención de formadores de gel:

METODO SOL GEL

Introducción

Video

La técnica Sol-Gel es usada para preparar un amplio rango de materiales. El método es atractivo porque involucra procesos a baja temperatura. También la alta pureza y homogeneidad son atribuibles a su forma de preparación en sistemas de multicomponentes.

Definiciones:

Avances Tecnologicos

Avances recientes en la tecnología de cerámicas han hecho posible moldear la sílica y otros óxidos metálicos a temperatura ambiente mediante la técnica sol-gel y además se ha demostrado la posibilidad atrapar compuestos orgánicos en matrices inorgánicas al introducir el compuesto deseado con los precursores del sol-gel. Esta técnica se ha extendido también a compuestos biológicos.

¿Qué es?

Definición:

Silica: Combinación de silicio con oxígeno (SiO2) que entra en la composición de ciertos minerales.

El método Sol-Gel es un método donde uno o varios elementos son usados en la forma de sol y/o gel con el fin de obtener un sólido homogéneo, principalmente policristalino o amorfo.

Materiales Sol Gel

Estos incluyen cristales Sol-Gel con tintes orgánicos incorporados para aplicaciones en óptica no lineal, en láseres sintonizables, como concentradores solares luminiscentes; fibras aislantes y electroconductoras y superconductores a alta temperatura.

Obtención del Sol Gel

Antecedentes

Otros materiales

Proceso 2

Durante la formación de coloides por el método de condensación debe producirse un estado de sobresaturación para lo cual hay que evitar cualquier precipitación de substancia.

El resultado depende de las condiciones que determinan y rigen el proceso, y la condensación puede producir un precipitado (suspensión grosera) o una disolución coloidal. Si se evapora líquido a partir de la disolución se obtiene un gel.

Una amplia variedad de materiales han sido preparados por el método Sol-Gel tomando ventaja de las características de su procesamiento a baja temperatura.

Algunos de estos son los siguientes.

Proceso 1

El segundo método esta basado en la hidrólisis - policondensación de alcóxidos. Alcóxido es un compuesto de fórmula M(OR)n, donde M es el catión y -OR es un radical proveniente de un alcohol, por ejemplo, el radical etoxi: -OCH2CH3 proviene del alcohol etílico y n da el número de oxidación del catión M metálico o no metálico. La hidrólisis del alcóxido o mezcla de varios alcóxidos, usualmente se efectúa en una solución de alcohol o hexano lo que permite generar una estructura polimérica.

Un mecanismo simple de la hidrólisis-policondensación es:

M (OR)n + n H2O ---- M (OH)n + n ROH hidrólisis

M (OH)n ------ MOn/2 + n/2 H20 policondensación

La formacion está relacionada con el carácter ácido del esqueleto molecular, o más ampliamente, con el potencial electro cinético que representa interacciones electroestáticas entre partículas y que regula la floculación y gelación.

En resumen, en este caso, el gel es formado por interacción de cargas entre las partículas

Este método de preparación de coloides conocido como "Método de Condensación" se basa en el crecimiento de agregados mediante agrupación de partículas de tamaño iónico.

En el siglo xix se prepararon muchos materiales de óxido a partir de geles de hidróxido. Un ejemplo de ellos en 1892 Von Chroustchoff calentó mezclas de geles de hidróxido de zirconio, silicio y alúmina, en un tubo sellado para obtener zirconopirofilita Mientras tanto, ocurrieron mejores desarrollos, en los cuales se fundaron las bases del proceso de sol-gel.

Uno de los desarrollos significativos relacionados con la ciencia del sol gel fue el descubrimiento del “vaso de agua” por Von Helmont en 1644, quien disolvió materiales de silicato (piedras, arena, cuarzo) en álcali y encontró que acidificando se obtenía un precipitado de sílice igual en peso que los materiales de sílice originales.

Compuestos con interesantes propiedades ópticas han sido desarrollados con la incorporación de tintes orgánicos en cristales derivados Sol-Gel. Concentradores luminiscentes solares han sido fabricados cubriendo un colector de plato plano con un film delgado de Sol-Gel que contiene rodamina 6G o el tinte foto estable BASF-241.

La incorporación de tintes orgánicos convenientes como la fluoresceína en un cristal Sol-Gel ha resultado en materiales para aplicación en conjugación de fase óptica.

Cristales de silica dopados con neodimio tienen favorables propiedades térmicas y mecánicas para aplicaciones de láseres de alta potencia.

Las cerámicas modificadas orgánicamente (ORMOCERS - Organically modified ceramics) constituyen un grupo de materiales constituidos por polímeros orgánicos e inorgánicos. Estos combinan las propiedades de la cerámica con esos componentes orgánicos. Una de las aplicaciones ha sido como una capa dura en polímeros orgánicos.

Fibras con un amplio rango de composiciones y propiedades han sido desarrolladas usando la técnica Sol-Gel. Fibras aislantes con composiciones en los sistemas SiO2, SiO2 –TiO2, SiO2 –Al2O3, SiO2 –ZrO2, TiO2, ZrO2, etc.

Fibras electro conductoras con composiciones como TiN. Se han realizado intentos con cierto éxito para preparar fibras de superconductores de alta temperatura en los sistemas YBa2Cu3O7-X y Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O respectivamente.

En el caso de tener dos alcóxidos, se puede formar un producto intermedio el cual corresponde a un alcóxido doble antes de llevarse a cabo la hidrólisis. Este alcóxido doble se forma ya que es más estable que los alcóxidos por separado. Al ser más estable resulta más lenta, por lo tanto controlable, la etapa de hidrólisis.

M (OR)n + M’ (OR) m ----MM’ (OR) z alcóxido doble

MM’ (OR) z + z H20 ----MM’ (OH) z + z ROH

MM’ (OH) z ----- MM’Oz/2 + z/2 H20

Las condiciones del proceso de gelificación influyen sobre la estructura, el volumen de poro y el tamaño de poro de gel. Por lo tanto estas propiedades dependen de factores como la razón agua/alcóxido, concentración y naturaleza química de los alcóxidos.

En resumen,en este caso, el gel es formado por una reacción de dos etapas: una de hidrólisis y una ulterior de policondensación.

El número de publicaciones de los ochenta del siglo xx, muestra un crecimiento exponencial sustentable. La primera conferencia internacional sobre vidrios y vidrios cerámicos obtenidos de geles se realizó en Padova, Italia (1981). Este significativo evento marca el desarrollo actual de la ciencia del sol-gel.

Las publicaciones oportunas de las conferencias internacionales de materiales son la principal fuente de nueva tecnología y el conocimiento básico y un estímulo para extender los estudios en varias direcciones.

Estos desarrollos tuvieron poco impacto científico para el desarrollo del campo de los materiales de sol-gel. Sin embargo, hay una notable excepción, en 1923, W.A. Patrick fue pionero en el campo de los desecantes de sol-gel, catálisis y materiales absorbentes.

Conclusión

Términos y Conceptos

Sol

En una dispersión coloidal se llama fase dispersa o dispersoide a la substancia disuelta que se halla en menor proporción, y medio de dispersión al medio en que se hallan dispersas las partículas. Las suspensiones coloidales más familiares e importantes tienen un líquido como medio de dispersión aunque también puede servir como tal un gas o un sólido, con fase dispersa sólida, liquida o gaseosa.

La dispersión coloidal recibe el nombre genérico de sol. Cuando el medio líquido es el agua, el sistema se denomina hidrosol y sí es un alcohol es un alcosol.

Las dispersiones coloidales se dividen en dos grandes clases según la afinidad relativa entre la fase dispersa y el medio de dispersión. Si la afinidad es pequeña se dice que la fase dispersa es liófoba. Si la afinidad entre la fase dispersa y el medio de dispersión es muy marcada se dice que la fase dispersa es liófíla.

Gel

Definiciones:

Red polimerica: macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas (monómeros) que se repiten a lo largo de toda una cadena.

Gel es una forma de materia entre líquido y sólido. Un gel polimérico es una red macromolecular infinita, la cual está hinchada por solvente.

Un gel puede ser creado cuando la concentración de la especie dispersa aumenta. Una transición Sol-Gel es observada cuando la viscosidad se incrementa notoriamente sobre lo normal. El solvente es atrapado en la red de partículas y así la red polimérica impide que el liquido se separe, mientras el líquido previene que el sólido colapse en una masa compacta.

Viscosidad: es la resistencia que tienen las moléculas que conforman un líquido para separarse unas de otras, es decir, es la oposición de un fluido a deformarse

Los geles pueden dividirse en dos clases; los que se separan como precipitados gelatinosos de un exceso de medio líquido de dispersión (por ejemplo, óxidos hidratados de metales, tales como hierro y aluminio), y geles del tipo de la gelatina que absorben un exceso de liquido y forman jaleas (por ejemplo, las jaleas preparadas como combustibles).