Lección 9.6Dar formaCapítulo 9 · Polvos y cerámicas

Procesado sol-gel

Un líquido se convierte en gel, que luego se seca y se cuece

El proceso sol-gel fabrica vidrio y cerámicas a partir de un líquido, en lugar de una masa fundida o un polvo. En un líquido se forman diminutas partículas que se enlazan en un gel parecido a una jalea, y el gel se seca y se calienta con suavidad hasta formar un sólido. El recubrimiento antirreflectante de algunas lentes de cámara y el fantasmal aerogel azul usado como aislante se fabrican así.

Foto: NASA/JPL-Caltech, Public domain, vía Wikimedia Commons

Proceso sol-gel · sol, gel, secado, cocción y formas de darle formaLa fila superior sigue el material de líquido a sólido; la fila inferior muestra cómo se le da forma mientras aún es líquido. Los números en círculo coinciden con los pasos.

Cómo funciona

Haz el sol. Productos químicos líquidos que contienen un metal o silicio (como el TEOS, un compuesto de silicio) se mezclan con agua, alcohol y un poco de ácido o base. Las reacciones forman partículas de unos pocos nanómetros, y dan un sol: un líquido con diminutas partículas sólidas flotando.
Dale forma. Mientras aún es líquido, el sol se aplica por inmersión o por centrifugado sobre una pieza, se pulveriza, se cuela en un molde o se estira en fibras.
Deja que gelifique. Las partículas se enlazan en una red que ocupa todo el volumen y atrapa el líquido, como la gelatina al cuajar. Lleva de minutos a días; si se deja reposar más (envejecimiento), la red se hace más fuerte.
Sécalo. Una evaporación lenta junta la red, así que el gel se encoge hasta formar un xerogel denso y vítreo, y puede agrietarse si se acelera. Secar por encima del punto crítico del líquido (secado supercrítico, donde no hay tensión superficial) mantiene la red abierta y da un aerogel que es casi todo aire.
Cuécelo. Calentar normalmente a 400–1.200 °C quema los restos orgánicos y sinteriza los poros hasta cerrarlos, y da vidrio denso, cerámica o un recubrimiento duro. Es muy inferior a los aproximadamente 1.700 °C necesarios para fundir el vidrio de sílice. Los aerogeles suelen usarse sin cocer.

Datos clave

Materiales: Sílice, titania, circonia, alúmina y óxidos mixtos; híbridos de vidrio y plástico
Piezas típicas: Recubrimientos ópticos y antirreflectantes, películas protectoras, aislamiento de aerogel, polvos cerámicos finos, fibras
Tamaño de pieza: Películas de nanómetros a unos pocos micrómetros de espesor sobre piezas de casi cualquier tamaño; las piezas sólidas suelen medir solo centímetros, porque el secado agrieta las grandes
Precisión: Espesor de película controlable hasta unas decenas de nanómetros
Acabado superficial: Películas muy lisas y ópticamente transparentes
Tamaño de lote adecuado: De muestras de laboratorio sueltas a líneas de recubrimiento continuas para vidrio
Coste de utillaje y máquina: Bajo para recubrimientos: material de vidrio y recubridores por inmersión o centrifugado desde unos pocos miles de dólares; los secadores supercríticos cuestan mucho más
Velocidad: El recubrimiento lleva minutos; la gelificación, de horas a días; secar piezas sólidas puede llevar días

Ventajas y límites

Ventajas

Temperaturas bajas en comparación con fundir vidrio o sinterizar polvo
Materiales muy puros y uniformes, mezclados a nivel molecular
Recubrimientos finos y uniformes fáciles de hacer sobre vidrio, metal o plástico
Productos únicos como los aerogeles, los sólidos más ligeros que existen

Límites

Las piezas sólidas grandes se agrietan al secarse
Gran contracción, a menudo de más de la mitad del volumen
Los productos químicos (alcóxidos, disolventes) son caros y algunos son inflamables
Lento: la gelificación y el secado llevan de horas a días

Dónde se usa

ÓpticaRecubrimientos antirreflectantes y filtros en lentes y vidrio
Edificios y energíaMantas aislantes de aerogel, recubrimientos en vidrio solar
Electrónica y sensoresPelículas finas de óxido, sensores de gas y humedad
Recubrimientos protectoresPelículas resistentes a arañazos y a la corrosión sobre metal y plástico
Ciencia espacialColectores de polvo de aerogel, como en la misión Stardust de la NASA
Cerámicas y catalizadoresPolvos muy finos y puros y soportes porosos de catalizadores

Cómo reconocerlo

Los recubrimientos finos muestran tenues tonos de arcoíris o azulados por la interferencia de la luz, como una pompa de jabón.
Las lentes antirreflectantes parecen algo coloreadas al inclinarlas y reflejan poca luz.
El aerogel parece humo azul congelado y se siente casi ingrávido.
Las piezas macizas secadas al aire son pequeñas y pueden mostrar finas grietas.

Compáralo con

Pulvimetalurgia9.1también termina con un sinterizado, pero parte de polvo prensado, no de un líquido.Recubrimiento CVD11.9forma películas finas a partir de gases que reaccionan, normalmente más caliente y en una cámara de vacío.Deposición de capas atómicas13.4hace crecer películas capa atómica a capa atómica, más preciso pero mucho más lento.

Míralo

University of California Television (UCTV) · La química sol-gel por un experto de laboratorio, con una demostración en directo de los primeros pasos (desde aproximadamente el minuto 5:00)

NileRed · Todo el recorrido en casa: mezcla, gelificación, intercambio de disolvente, secado supercrítico

nottinghamscience · Cómo funciona el paso especial de secado

Veritasium · Cómo es el aerogel terminado y para qué se usa

Ver fotos reales

Wikipedia: Proceso sol-gel — esquemas del proceso del sol a la película, el xerogel y el aerogel
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

El sol-gel construye un sólido a partir de un líquido: primero sol, luego gel, luego secado y luego cocción.
Funciona a baja temperatura, lo que lo hace ideal para recubrimientos finos y materiales puros.
La forma de secar el gel decide el resultado: xerogel denso o aerogel ligero como una pluma.