Processo sol-gel: preparazione del sol e del gel

Il processo sol-gel prevede la sintesi di soluzioni colloidali  che costituiscono i precursori per la successiva formazione di un gel.
Una sospensione colloidale in cui le particelle di soluto di dimensioni tra 1 nm e 1 μn sono disperse in un liquido viene detta sol.

Un sistema colloidale costituito da due fasi ovvero da un liquido disperso e inglobato nella fase solida viene detto gel.
Il processo sol-gel nella formazione di un gel a partire da un sol avviene tramite reazioni di idrolisi e condensazione. Il processo sol-gel può essere classificato in due modi: uno è il metodo sol-gel acquoso in cui viene utilizzata l’acqua come mezzo solvente e il secondo è il processo sol-gel non acquoso in cui viene usato un solvente organico come mezzo solvente.

Il processo sol-gel prevede la formazione di un sol attraverso reazioni di idrolisi e polimerizzazione e il successivo ottenimento di un gel rigido e poroso. Il prodotto finale viene quindi ottenuto rimuovendo il solvente e i residui dai pori del gel mediante invecchiamento, essiccazione e ricottura.

Il processo sol-gel è un metodo di sintesi che utilizza un approccio bottom-up in cui i prodotti finali si formano eseguendo una serie di reazioni chimiche irreversibili. Una guida essenziale per lo sviluppo del metodo sol-gel è stata fornita dal Dr. Jeffrey Brinker, un pioniere nella sintesi dei materiali e nella scienza sol-gel

Preparazione del sol

I materiali di partenza utilizzati nella preparazione del sol sono solitamente sali metallici inorganici o composti organici metallici come alcossidi metallici che si presentano sotto forma di M(OR)_n essendo M un metallo e OR un gruppo uscente o come R’-M(OR)_n-1 essendo R’ un gruppo organico legato al metallo tramite legame covalente o di coordinazione
Nel processo sol-gel il precursore è sottoposto a un’idrolisi con formazione di un idrossido:
M-OR + H₂O → M-OH + ROH

L’idrossido può quindi reagire con altri centri metallici per condensazione per dare un oligopolimero
M-OH + XO-M → M-O-M + X-OH 

Preparazione del gel

Il punto di partenza di un gel di silice è costituito da un alcossido o da un silanolo che dà luogo a reazioni di idrolisi e condensazione spesso catalizzate da ambienti acidi o basici.

Nella reazione di idrolisi si ha la sostituzione di un gruppo alcossidico -OR con un gruppo ossidrile -OH. Nelle successive reazioni di condensazione si ha la formazione di legami silossanici (Si-O-Si) con formazione di acqua o alcol

≡Si-OR + H₂O → ≡Si-OH + ROR (idrolisi)

≡Si-OH + ≡Si-OR → ≡Si-O-Si≡ + ROH (condensazione)

≡Si-OH + ≡Si-OH → ≡Si-O-Si≡ + H₂O (condensazione)

Quando la polimerizzazione è condotta in ambiente basico le particelle si aggregano formando un numero minore di particelle di dimensioni maggiori.

In tal caso il prodotto finale della polimerizzazione è un sol. Al contrario, in ambiente acido, o in presenza di un sale  quale agente flocculante, le particelle si aggregano in reticoli tridimensionali formando il gel.

Le strutture ottenute possono accrescersi o aggregarsi fino a raggiungere grosse dimensioni con formazione del gel.

L’allontanamento del solvente è attuato per essiccazione a cui segue un trattamento termico, spesso necessario per favorire ulteriori policondensazioni e migliorare le proprietà meccaniche e la stabilità strutturale del materiale attraverso la sinterizzazione.

La possibilità di variare il tipo di solvente, le proporzioni tra alcossido metallico ed acqua nella reazione di idrolisi, la forza ionica del mezzo di reazione, il tipo di catalizzatore porta alla formazione di prodotti dalle differenti proprietà che rappresenta indubbiamente uno dei maggiori vantaggi offerti dal processo sol-gel.

Usi del processo sol-gel

Tale processo è ampiamente utilizzato per ottenere materiali come polveri abrasive, fibre ottiche, polveri ceramiche, film sottili.

I metodi sol-gel sono ampiamente applicati nella preparazione di materiali ceramici come ossidi metallici, nitruri e carburi. Sono stati ottenuti  materiali con funzioni ottiche, elettriche, chimiche, meccaniche o biomediche, nonché vetri e ceramiche avanzati

Questo metodo fornisce percorsi efficienti e versatili per sintetizzare nanomateriali altamente omogenei ed economici le cui  dimensioni e proprietà morfologiche possono essere regolate con precisione.

Il processo viene utilizzato anche per la sintesi di film ibridi inorganici-organici drogati con nanoparticelle metalliche come la silice organicamente modificata