سل-ژل

فرایند سل-ژل (به انگلیسی: Sol-gel) که همچنین با نام رسوب‌دهی محلول شیمیایی (به انگلیسی: Chemical Solution Deposition) از آن یاد می‌شود،  یک روش شیمیایی مرطوب ( رویکرد پایین به بالا) است که در مهندسی و علم مواد و مهندسی سرامیک به‌طور گسترده برای سنتز انواع نانوساختارها استفاده می‌شود. روش سل- ژل روش ارزانی است که به دلیل دمای پایین واکنش می‌توان با این روش نانو ذراتی با کیفیت بالا (تولید ذرات با اندازه یکسان) و با خلوص بالا تهیه کرد. این فرایند شامل یک سری واکنش‌های شیمیایی برگشت ناپذیر است که در نهایت منجر به تولید محصول نهایی می‌شود. در حقیقت این واکنش‌ها باعث تبدیل مولکول‌های محلول همگن اولیه به عنوان سل، به یک مولکول نامحدود، سنگین و سه بعدی پلیمری به عنوان ژل می‌شوند.
این روش معمولاً برای تولید مواد (به عنوان مثال اکسید فلزات) با شروع از یک محلول کلوئیدی (سل) که به عنوان پیش‌ماده برای یک شبکه به‌هم‌پیوسته (ژل) از ذرات گسسته یا پلیمرهای شبکه‌ای است، بکار می‌رود. پیش‌ماده‌های معمول شامل آلکوکسید و نمک فلزات (از قبیل کلریدها، نیتریدها و استات ها) هستند که تحت واکنش‌های مختلف هیدرولیز و بسپارش مرحله‌ای قرار می‌گیرند.

واکنش هایی که فرایند سل ژل بر پایه آنها بنا شده است

اولین مرحله شامل تهیه یک محلول همگن است. برای این کار حلال (آّب یا الکل) و پیش ماده را باهم حل می‌کنیم تا محلول همگن آماده شود، پیش ماده در واقع ماده ایست که قرار است در  طول فرایند محصول نهایی را شکل دهد، که معمولاً شامل یون‌هایی از یک فلز یا آلکوکسیدهای فلزی می‌باشد .
دومین مرحله تبدیل یک محلول همگن به سل است . در این مرحله واکنش هیدرولیز (تجزیه به وسیله آب) صورت می‌گیرد، در واقع بر اثر این واکنش آب مولکولی را شکسته و به مولکول‌های ساده تر تبدیل می‌کند. برای تشکیل سل کمی آب به محیط واکنش اضافه می‌کنند تا واکنش هیدرولیز صورت بگیرد و ذرات ریز در حلال پراکنده شوند و تشکیل مخلوط کلوئیدی می‌دهند که عبارتست از ذرات جامد پراکنده شده در فاز حلال که به علت کوچکی ذرات جامد، قادر است برای مدت بسیار طولانی پایدار بماند و ته‌نشین نشود.
مرحله سوم تشکیل ژل می‌باشد  برای این کار کافی است، محلول ساخته شده را به نوعی تحریک کرده، تا ذرات ریز پراکنده شده شروع به نوعی گردهمایی کنند، واکنش تراکم دقیقا عکس واکنش هیدرولیز است. در هیدرولیز مولکولی درشت با مصرف آب به اجزاء ساده تر تبدیل می‌شود، اما در تراکم دو مولکول ساده به هم می پیوندند و تشکیل یک مولکلول پیچیده تر را می‌دهند. بعد از این فرآیند، ژل مرطوب حاصل می‌شود حال باید به روشی حلال را از آن جدا کنیم تا ژل خشک شود و به محصول نهایی برسیم.
اگر ماده را در محیط قرار دهیم تا خود به خود خشک شود (خشک کردن معمولی)، در این حالت، ماده حاصله زروژل نام می‌گیرد. زروژل به ژلی گفته می‌شود که تمام مایع داخل حفرات ژل خارج شده‌است، به گونه ای که ساختار کمی متراکم تر و فشرده تر شده‌است ولی اگر در شرایط فوق بحرانی مایع موجود در یک ژل خارج شود ما به ساختار ماده ای متخلخل باچگالی اندک به نام آئروژل می‌رسیم. نوع خشک کردن بر خواص ژل تأثیر مستقیم دارد. در نتیجه نحوه خشک کردن بستگی مستقیم به نوع محصول و ویژگی‌های آن دارد.
مواد حاصل از روش سل ژل می‌تواند در کاربردهای اپتیک و الکترونیک، انرژی، روکش دهی سطوح، سنسورهای زیستی، دارویی و غیره به کار برده شود.

کلوئید

اصطلاح کلوئید از ترکیب دو کلمه یونانی Kolla (به معنی چسب) و eidos (به معنای شبیه) بدست آمده‌است که اولین بار توسط دانشمند انگلیسی به نام توماس گراهام بکار برده شد.

مراحل تشکیل سل

مراحل تشکیل سل به‌طور کلی به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شوند:

۱- تشکیل محلولی حقیقی از پیش ماده‌ها (پیش ماده‌های آلکوکسیدی یا پیش ماده‌های نمک فلزی) مورد نظر در حلال که می‌تواند آب، الکل یا اسید باشد.

۲- تشکیل محلول کلوئیدی (سل) از طریق تبدیل اتم‌های فلزی به کامپلکس‌های فلزی توسط واکنش‌های هیدرولیز و کندانسیون، که در واقع واکنش‌های به وجود آورنده ذرات کلوئیدی می‌باشند، با انجام این واکنش‌ها ذرات بزرگ شده و به ابعاد ذرات کلوئیدی یعنی ۱nm تا حدود ۱۰۰nm می‌رسند. در این مرحله نانوذرات که معمولاً آمورف می‌باشند تشکیل شده‌است.

۳- پایدار کردن ذرات کلوئیدی و جلوگیری از ته‌نشین شدن آن‌ها توسط یک عامل پایدارکننده. این عامل می‌تواند توسط کنترل عوامل محیطی از قبیل کنترل pH، دمای سل، میزان همزدن سل کنترل شود یا از طریق افزودن مواد شیمیایی کنترل گردد.

تفاوت سل با محلول

کلوئیدها از یک نظر شبیه محلول‌ها هستند و از جهاتی دیگر به کلی با آن‌ها متفاوتند. هر سیستم کلوئیدی حداقل دارای دو بخش است:

۱ – فاز پراکنده

۲ – محیط پراکندگی

اما محلول‌های حقیقی فقط یک فاز دارند و ماده حل شده و حلال باهم یک فاز را تشکیل می‌دهند. تفاوت بعدی اندازه ذرات در سل یعنی کلوئیدها و اندازه ذره در محلول یعنی اتم‌ها و یون‌ها است. در سل اندازه ذرات کلوئیدی معمولاً بین ۵۰ تا ۲۰۰۰ آنگستروم است. اما در محلول اندازه اتم‌ها و یون‌ها در حد آنگستروم است.

اندازه‌های کلوییدی

اگر جسمی را که نرم ساییده شده‌است در آب بریزیم، یکی از سه حالت زیر پیش می‌آید:

۱. ممکن است یک «محلول حقیقی» تشکیل شود که نتیجهٔ پراکنده شدنِ اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌های آن جسم در یک حلاّل است. اندازهٔ ذرات در این محلول از حدود ۱nm تجاوز نمی‌کند؛

۲. این امکان وجود دارد که ذراتِ بزرگتر از حدود ۱۰۰nm باقی بمانند. این ذرات میکروسکوپی، به‌تدریج ته‌نشین می‌شوند. از آنجا که این ذرات به‌طور موقت معلق‌اند و بر اثر ماندن ته‌نشین می‌شوند، به مخلوط حاصل، «مخلوط معلق» یا «سوسپانسیون» می‌گویند؛

۳. ذراتی که اندازهٔ آن‌ها از ۱nm تا حدود ۱۰۰nm تغییر می‌کند، معمولاً به صورت پراکنده در همه‌جای محیط باقی می‌مانند. این نوع مخلوط «کلویید» نامیده می‌شود. به عبارت دیگر، در یک مخلوط کلوییدی با «نانوذرات» سروکار داریم.

کلوییدها در میانهٔ سوسپانسیون‌ها و محلول‌ها قرار می‌گیرند، ولی ناهمگن به‌شمار می‌روند. محیط‌های پیوسته همچون آب یا الکل و جسم پراکنده، هرکدام وضعیت جداگانه‌ای به وجود می‌آورند.

پایدارسازی سل

منظور از پایدارسازی سل این است که ذرات کلوئیدی ته‌نشین نشوند و همچنان به صورت سوسپانسیون باقی بمانند تا بتوان همچنان به آن طبق تعریف سل گفته شود. پایداری یا انعقاد سل در فرایند سل - ژل بسیار مهم می‌باشد و ساختار و شبکه ژل به دست آمده با اندازه و شکل ذرات تجمع یافته اولیه مرتبط می‌باشد.

سل کلوئیدی

منظور از سل کلوئیدی سلی است که در آن تشکیل ژل فقط از طریق چسبیدن (آگلومراسیون) ذرات کلوئیدی به وجود می‌آید.

سل‌های کلوئیدی مونودیسپرس

در این نوع سل‌ها، تمام ذرات دارای شکل و اندازه یکسان می‌باشند و تشکیل این نوع سل به دلیل میل شدید به آگلومره شدن بسیار دشوار است.

سل‌های کلوئیدی پلی دیسپرس

اکثر سیستم‌های کلو ئیدی به این صورت می‌باشند و اندازه ذرات در آن‌ها یکسان نیست و برای بیان اندازه ذرات از متوسط مقادیر استفاده می‌شود.

سل‌های ماکرومولکولی یا پلیمری

منظور از سل پلیمری سلی است که در آن تشکیل ژل از طریق اتصال ذرات کلوئیدی توسط زنجیره‌های پلیمری به وجود می‌آید. در این سیستم ها رشد ذرات با تشکیل پلیمر صورت می‌گیرد و این پلیمرها با یکدیگر اتصال برقرار کرده و سپس حلال ر ا در میان خود به تله می اندازند و سرانجام یک جسم نیمه جامد تشکیل می‌شود که به آن ژل می‌گویند. این نوع سل‌ها معمولاً از ارگانومتالیک‌های محلول در الکل حاصل می‌شوند.

مکانیزم پایدارسازی در سل‌های کلوئیدی

پایداری یک سل کلوئیدی بستگی به مقدار پتانسیل زتا دارد، به‌طوری‌که هرچه پتا نسیل زتا بیشتر باشد پایداری سل بیشتر می‌باشد. برای یک پتانسیل سطحی یکسان، سد و نیروی دفعی برای ذرات بزرگتر بیشتر می‌باشد. ارتباط متفاوت بین نیروی جاذبه و نیروی دافعه با اندازه، سبب می‌شود که وقتی اندازه ذرات از حدی بزرگتر شد، نیروی دافعه بر نیروی جاذبه غلبه کرده و سل پایدار شود.

پپتیده شدن

در بعضی مواقع کلوئید انعقاد یافته، می‌تواند دوباره پخش شود که به این فرایند پپتیده شدن گفته می‌شود.

مکانیزم تشکیل نانوذرات در سل‌های کلوئیدی

سه نوع مکانیزم مختلف برای تشکیل نانو ذرات و جلوگیری از درشت شدن ذرات در سل‌های کلوئیدی پیشنهاد شده‌است که عبارتند از:

مکانیزم پایدارسازی در سل‌های پلیمری

مکانیزم پایدارسازی در سل‌های پلیمری عبارتست از تشکیل یک ابر مولکول که همچون یک نخ تسبیح طویل که مهره‌های آن در واقع همان ذرات کلوئیدی می‌باشنددر سرتاسر ظرف واکنش گسترش میابد و بدین ترتیب با فراهم آوردن بستری مناسب باعث جلوکیری از رسوب ذرات کلوئیدی می‌گردد. در واقع این روش را می‌توان به درخت سیبی تشبیه کرد که در آن شاخه‌های اصلی و فرعی درخت همان شبکه پلیمری و میوه ها ذرات کلوئیدی می‌باشند که بعد از کلسیناسیون به فرم نانو ذره تبدیل می‌شوند.

مکانیزم تشکیل نانو ذرات در سل‌های پلیمری

مکانیزم تشکیل نانو ذرات در سل‌های پلیمری یا ماکرومولکولی هر عاملی است که موجب پایداری شبکه پلیمری یا ابر مولکولی به وجود آمده می‌شود. در واقع هر عاملی که بتواند مانع از کراس لینک شدن پلیمر شود یا هر عاملی که موجب تشویق فرایند پلیمراسیون گردد. این ابر مولکول حاصل واکنش شیمیایی فی‌مابین مواد مورد استفاده جهت تشکیل یک پلیمر می‌باشد. به عنوان مثال در روش پچینی این ابر مولکول حاصل بسپارش مونومر استر می‌باشد که حاصل از واکنش استری شدن بین اسید سیتریک و اتیلن گلیکول می‌باشد. هر عاملی که موجب کراس لینک شدن این ابر مولکول شود برای تشکیل نانو ذرات مضر می‌باشد.

ژل

عبارت است از یک شبکه پیوسته سه بعدی متخلخل که یک فاز مایع را در خود جای داده است. دراکثر سیستم‌های سل - ژل، تشکیل ژل با ایجاد پیوندهای کووالانسی بوده و ژل برگشت‌پذیر نیست یعنی قابلیت برگشت به حالت سل را ندارد. اگر ژل حاصل دارای پیوندهای دیگری غیر از پیوند کووالانسی باشد می‌تواند برگشت‌پذیر باشد.

ژل‌های کلوئیدی

در ژل کلوئیدی، شبکه توسط آگلومره شدن (چسبیدن) ذرات کلوئیدی به وجود می‌آید.

ژل پلیمری

در ژل پلیمری شبکه دارای یک ریز ساختار پلیمری می‌باشد به عبارتی واحدهای پلیمری می‌باشند که تشکیل ژل می‌دهند.

زیروژل(Xerogel)

خروج حلال از حفرات در هنگام خشک کردن باعث ایجاد نیروی مویینگی شده و در نتیجه سبب انقباض شبکه ژل می‌شود. ژلی که در اثر خشک شدن به دست می‌آید زیروژل نامیده می‌شود. زیروژل نسبت به ژل تر اولیه معمولاً حجم کمتری دارد و به علت استرس ناشی از خشک کردن، ژل یکپارچه خراب شده و پودر حاصل می‌شود.

ایروژل(aerogel)

وقتی که ژل تر تحت شرایطی خشک شود که شبکه و حفرات تغییر حجم نداده و در نتیجه حجم ژل خشک به دست آمده برابر با حجم ژل تر باشد، این ژل چون در آن انقباض رخ نداده، که به این ژل حاصل شده ایروژل گفته می‌شود. بسیار چگالی کمی دارد و شدیداً متخلخل می‌باشد ولی در آن استرس‌های ناشی از انقباض وجود ندارد. اگر ژل خیس درون اتوکلاو قرار داده شود و تحت شرایط خاصی خشک شود، ممکن است میزان انقباض به دلیل حذف فشار موئینگی اندک باشد. این فرایند به خشک کردن بحرانی موسوم است و محصول حاصل نیز ایروژل نامیده می‌شود.

آلکوژل(Alchogel)

ژلی است که نوع حلال آن یک الکل بوده‌است.

هیدروژل(Hydrogel)

ژلی است که حلال آن آب بوده‌است.