Pelajaran 9.6MembentukBab 9 · Serbuk dan keramik

Pemrosesan sol-gel

Cairan mengeras menjadi gel, lalu dikeringkan dan dibakar

Pemrosesan sol-gel membuat kaca dan keramik dari cairan, bukan dari lelehan atau serbuk. Partikel kecil terbentuk dalam cairan, saling terhubung menjadi gel seperti jeli, dan gel itu dikeringkan lalu dipanaskan perlahan menjadi padat. Lapisan antipantul pada beberapa lensa kamera dan aerogel biru seperti hantu yang dipakai sebagai isolasi dibuat dengan cara ini.

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

Pemrosesan sol-gel · sol, gel, keringkan, bakar, dan cara membentuknyaBaris atas mengikuti material dari cair ke padat; baris bawah menunjukkan cara membentuknya selagi masih cair. Angka berlingkar sesuai dengan langkah.

Cara kerjanya

Buat sol. Bahan kimia cair yang mengandung logam atau silikon (seperti TEOS, senyawa silikon) dicampur dengan air, alkohol, dan sedikit asam atau basa. Reaksi membangun partikel selebar beberapa nanometer, menghasilkan sol: cairan dengan partikel padat kecil yang melayang di dalamnya.
Bentuk. Selagi masih cair, sol dilapiskan dengan dip-coating atau spin-coating pada part, disemprot, dicor ke cetakan, atau ditarik menjadi serat.
Biarkan menjadi gel. Partikel saling terhubung menjadi jaringan yang membentang di seluruh volume dan memerangkap cairan, seperti agar-agar yang mengeras. Ini memakan menit hingga hari; mendiamkannya lebih lama (aging) membuat jaringan lebih kuat.
Keringkan. Penguapan lambat menarik jaringan merapat, sehingga gel menyusut menjadi xerogel padat dan seperti kaca, dan dapat retak jika terburu-buru. Pengeringan di atas titik kritis cairan (pengeringan superkritis, tempat tidak ada tegangan permukaan) menjaga jaringan tetap terbuka, menghasilkan aerogel yang sebagian besar berisi udara.
Bakar. Pemanasan hingga biasanya 400–1.200 °C membakar sisa bahan organik dan men-sinter pori hingga tertutup, menghasilkan kaca padat, keramik, atau lapisan keras. Ini jauh di bawah sekitar 1.700 °C yang dibutuhkan untuk melelehkan kaca silika. Aerogel sering dipakai tanpa dibakar.

Fakta kunci

Material: Silika, titania, zirkonia, alumina, dan oksida campuran; hibrida kaca dan plastik
Komponen khas: Lapisan optik dan antipantul, film pelindung, isolasi aerogel, serbuk keramik halus, serat
Ukuran komponen: Film setebal nanometer hingga beberapa mikrometer pada part dengan hampir semua ukuran; potongan padat biasanya hanya selebar sentimeter, karena pengeringan meretakkan yang besar
Presisi: Ketebalan film dapat dikendalikan hingga kira-kira puluhan nanometer
Hasil permukaan: Film yang sangat halus dan jernih secara optik
Ukuran batch yang cocok: Dari sampel laboratorium tunggal hingga lini pelapisan kontinu untuk kaca
Biaya perkakas dan mesin: Rendah untuk pelapisan: peralatan gelas dan dip atau spin coater dari beberapa ribu dolar; pengering superkritis jauh lebih mahal
Kecepatan: Pelapisan memakan menit; gelasi jam hingga hari; pengeringan potongan padat bisa memakan hari

Kekuatan dan batasan

Kekuatan

Suhu rendah dibandingkan dengan melelehkan kaca atau men-sinter serbuk
Material yang sangat murni dan rata, tercampur pada tingkat molekul
Lapisan tipis dan rata yang mudah pada kaca, logam, atau plastik
Produk unik seperti aerogel, padatan paling ringan yang pernah dibuat

Batasan

Potongan padat besar retak saat pengeringan
Penyusutan besar, sering lebih dari separuh volume
Bahan kimia (alkoksida, pelarut) mahal dan sebagian mudah terbakar
Lambat: gelasi dan pengeringan memakan jam hingga hari

Di mana dipakai

OptikLapisan antipantul dan filter pada lensa dan kaca
Bangunan dan energiSelimut isolasi aerogel, lapisan pada kaca surya
Elektronik dan sensorFilm oksida tipis, sensor gas dan kelembapan
Lapisan pelindungFilm tahan gores dan korosi pada logam dan plastik
Sains antariksaPengumpul debu aerogel, seperti pada misi Stardust NASA
Keramik dan katalisSerbuk yang sangat halus dan murni serta penyangga katalis berpori

Cara mengenalinya

Lapisan tipis menunjukkan semburat pelangi atau kebiruan yang samar akibat interferensi cahaya, seperti gelembung sabun.
Lensa antipantul tampak sedikit berwarna saat dimiringkan dan memantulkan sedikit cahaya.
Aerogel tampak seperti asap biru beku dan terasa nyaris tanpa bobot.
Potongan massal yang dikeringkan di udara berukuran kecil dan mungkin menunjukkan retakan halus.

Bandingkan dengan

Metalurgi serbuk9.1juga berakhir dengan sintering, tetapi dimulai dari serbuk yang dipres, bukan cairan.Pelapisan CVD11.9membangun film tipis dari gas yang bereaksi, biasanya lebih panas dan di dalam ruang vakum.Atomic layer deposition13.4menumbuhkan film satu lapisan atom pada satu waktu, lebih presisi tetapi jauh lebih lambat.

Tonton

University of California Television (UCTV) · Kimia sol-gel dari pakar laboratorium, dengan demo langsung langkah-langkah awal (mulai sekitar 5:00)

NileRed · Seluruh rute di rumah: pencampuran, gelasi, pertukaran pelarut, pengeringan superkritis

nottinghamscience · Cara kerja langkah pengeringan khusus

Veritasium · Seperti apa aerogel jadi dan untuk apa dipakai

Lihat foto asli

Wikipedia: Sol–gel process — diagram proses dari sol ke film, xerogel, dan aerogel
Pencarian foto Wikimedia Commons

Ingat

Sol-gel membangun padatan dari cairan: sol, lalu gel, lalu keringkan, lalu bakar.
Prosesnya bekerja pada suhu rendah, sehingga ideal untuk lapisan tipis dan material murni.
Cara Anda mengeringkan gel menentukan hasilnya: xerogel padat atau aerogel seringan bulu.