SOL-GEL

SOL-GEL

In chimica-fisica si definisce ''sol'' una dispersione (non una soluzione) colloidale di particelle, che costituisce un sistema liquido avente alcune proprietà prossime a quelle di un solido; queste dispersioni, che sono abbastanza stabili, possono essere destabilizzate dall'azione del calore, da variazioni di pH, da aggiunta di elettroliti dando così origine a un gel, sistema gelatinoso ricco di liquido, ma che presenta alcune proprietà dei solidi. A differenza di un precipitato e di un flocculato, che risultano dall'insieme di singoli aggregati, un gel è costituito da strutture tridimensionali coerenti, originate da un aumento delle dimensioni del componente solido disperso, che invece di precipitare si legano insieme formando un reticolo tridimensionale continuo all'interno del quale rimane imprigionato il liquido. Il passaggio del sistema da sol a gel (gelificazione) può essere più o meno rapido in funzione delle condizioni adottate; da queste dipendono anche la struttura e le caratteristiche del gel che si forma. La trasformazione sol-gel viene utilizzata sempre di più in diversi campi, per es. per preparare ossidi metallici a granuli molto fini impiegati nel campo dei prodotti ceramici e dei pigmenti o in campo nucleare, per ottenere film di ossidi e di metalli estremamente sottili e uniformi su substrati diversi (vetro, ecc.); analoghi risultati non sono ottenibili con la stessa facilità con altre tecnologie.

I prodotti ceramici e i materiali nucleari si ottengono spesso per sinterizzazione a elevata temperatura di ossidi metallici che debbono essere possibilmente preparati in granulometrie fini e omogenee; questa operazione, che può essere effettuata per macinazione spinta, presenta diverse difficoltà dovute alla durezza dei materiali di partenza, allo sviluppo di polveri irritanti e dannose, all'impossibilità di evitare impurezze derivanti dai materiali dei mulini e dei corpi macinanti. Sono questi gli inconvenienti evitati dall'impiego del sistema sol-gel che si svolge a temperatura ambiente, in fase liquida e senza apprezzabile consumo d'energia meccanica, e fornisce direttamente granuli di forma sferica, regolare, omogenea, di diametro di pochi micron. Per la preparazione degli ossidi si parte da composti inorganici od organici, solubili, dei rispettivi metalli: cloruri, nitrati, alcossidi (questi ultimi di formula generale M(OR), dove M = metallo e R = radicale dell'alcool usato: metilico, etilico, propilico). I composti per idrolisi liberano l'acido o l'alcool usati per preparare i composti di partenza e danno idrossidi che si disperdono in acqua fornendo un sol:

MCl + H₂O→MOH + HCl

Gli idrossidi a loro volta perdendo molecole di acqua danno strutture con catene lineari del tipo −M−O−M− e queste poi possono collegarsi trasversalmente con altre (se il metallo di partenza contiene più ioni alogeno o gruppi alcossidi e per idrolisi dà idrossidi con più −OH).

La gelificazione del sol e la formazione dei granuli sferici si ottengono riducendo il sol sotto forma di goccioline, agitando meccanicamente la dispersione e facendo aumentare la concentrazione dell'idrossido fino a renderlo insolubile in acqua, così che le goccioline di sol si trasformano in granuli di gel.

Ciò si può realizzare agitando con velocità costante la dispersione e sottraendo parte dell'acqua (a tal fine oltre che all'evaporazione si può ricorrere all'aggiunta di un solvente miscibile con l'acqua) in modo che l'acqua rimanente sia insufficiente a disperdere l'idrossido presente nelle goccioline di sol, che così gelificano. Il gel così formato può essere facilmente separato dal liquido presente, venendo poi essiccato e calcinato, dando l'ossido desiderato.

Il sistema si presta a importanti variazioni: così si possono ottenere miscele intime di due o più ossidi, per es. miscelando le soluzioni dei due o più alcossidi rispettivi; si possono preparare granuli formati da strati successivi, uniformi e di diversa natura, per ricoprire, per es., particelle di ossido con uno strato omogeneo di grafite (i granuli di ossido si portano a contatto di idrocarburi gassosi − metano, acetilene, ecc. − in modo da ricoprirli e assorbirli; nella successiva calcinazione i gas si decompongono lasciando un deposito carbonioso trasformabile in grafite). Con sistemi analoghi si possono rivestire i granuli di ossidi con un metallo o un diverso componente, cosa che può risultare utile nella preparazione di catalizzatori. Il nucleo centrale viene a essere il supporto, e lo strato esterno la sostanza catalitica; la regolarità delle dimensioni e della forma dei granuli costituisce una caratteristica importante per formare nei reattori strati catalitici con estesa superficie attiva e con permeabilità ai gas reagenti pressoché uguale in tutti i punti della massa.

Nel campo nucleare col sistema sol-gel si possono preparare granuli di combustibile a base di ossido di uranio UO₂, partendo da soluzioni di nitrato che idrolizzate formano un sol; la dispersione ottenuta si fa effluire da un ugello vibrante posto in un ambiente di ammoniaca gassosa (che funge da catalizzatore della gelificazione); le goccioline uscenti dall'ugello vengono subito indurite superficialmente e poi completamente, passandole in una soluzione acquosa di ammoniaca a temperatura di 70-80°C. Si ottengono così granuli di ossido UO₃ che, separati ed essiccati a circa 700°C, vengono ridotti con idrogeno a UO₂. Quest'ultimo, sintetizzato a circa 1400°C, forma un prodotto con la necessaria densità.

La formazione di ossidi misti ha una particolare importanza nella preparazione di ferriti.

Un campo nel quale la tecnologia sol-gel trova larga applicazione è quello della deposizione di coating o rivestimenti su supporti diversi, in particolare su vetro, per ottenere depositi sottili e omogenei, contenenti metalli e ossidi con caratteristiche di riflettenti, conduttori, fotoconduttori. Con la deposizione di ossidi metallici si possono produrre per es. vetri capaci di riflettere gran parte dell'energia solare incidente mantenendo pressoché inalterata la trasmissione luminosa; oppure vetri atermici che vengono adoperati nelle costruzioni edilizie e nell'industria automobilistica. Nello stesso campo, l'applicazione di strati conduttori consente la fabbricazione di parabrezza in grado di assicurare la visibilità anche in condizioni di elevata umidità e in caso di formazione di ghiaccio.

Si possono anche ottenere strati vetrosi di un certo spessore partendo da soluzioni di silani del tipo Si(OC₂H₅)₅, dai quali per idrolisi di uno o più gruppi alcossidi e successiva policondensazione si ottengono strutture lineari o reticolate, del tipo:

che consentono la deposizione di strati isolanti di vetro, usati nella preparazione di dispositivi elettronici, audio-visivi, ecc. La tecnologia sol-gel consente anche di ottenere spessori di un certo rilievo mediante l'applicazione di strati successivi, ma evitando la formazione di fratture che possono verificarsi nella fase di essiccazione ed eliminazione del solvente. Si possono utilizzare gel di questo tipo per preparare per trafilatura fibre ottiche o microsfere di vetro vuote internamente (queste si ottengono frantumando e granulando le particelle del gel che vengono poi lasciate cadere dall'alto in un forno verticale riscaldato; i granuli rammolliscono e vetrificano; parte dei gas e dei liquidi presenti all'interno vaporizza e riesce a uscire, mentre un'altra parte rimane intrappolata e forma la cavità interna; infine le goccioline fuse solidificano formando piccole sferette). Su supporti diversi dal vetro (metalli, ecc.) si possono applicare con il sistema sol-gel rivestimenti di tipo protettivo (antiusura, anticorrosione, ecc.).

Un altro campo in cui la tecnologia sol-gel sta conquistando larga applicazione è quello della produzione di pigmenti per l'industria delle vernici: si possono infatti ottenere pigmenti in forma di granuli sferici, di pochi micron o decine di micron, con variazioni molto limitate delle dimensioni, che assicurano alle vernici costanza di caratteristiche. In questo modo pigmenti di biossido di titanio si possono ottenere partendo da cloruro di titanio.

Per riassumere, numerosi sono i settori nei quali la tecnologia sol-gel, da pochi anni entrata nell'uso, va acquistando larga diffusione per le sue caratteristiche di semplicità e di efficienza.

Bibl.: C.Y. Brinker, G.W. Scherer, Sol-gel science, San Diego 1990; J. Zarxycki, in Materials science and tecnology, 9, Weinheim 1991.