ゾルゲル法

しくみ

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   ゾルをつくる。 金属やケイ素を含む液体の薬品(ケイ素化合物の TEOS など)を、水、アルコール、少量の酸または塩基と混ぜます。反応によって数ナノメートルの粒子ができ、小さな固体の粒子が液体中に浮かぶゾルになります。

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   成形する。 まだ液体のあいだに、ゾルを部品にディップコートまたはスピンコートしたり、スプレーしたり、型に流し込んだり、繊維に引き伸ばしたりします。

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   ゲル化させる。 粒子がつながって、全体に広がり液体を閉じ込めるネットワークをつくります。ゼラチンが固まるのに似ています。これには数分から数日かかり、長く置く(熟成)ほど、ネットワークは強くなります。

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   乾燥させる。 ゆっくりした蒸発でネットワークが引き寄せられ、ゲルは収縮して緻密でガラス状のキセロゲルになり、急ぐと割れることがあります。液体の臨界点を超えて乾燥させる(超臨界乾燥:表面張力がない)と、ネットワークが開いたまま保たれ、ほとんどが空気のエアロゲルになります。

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   焼成する。 通常 400〜1,200 °C に加熱すると、残った有機物が燃え尽き、気孔が焼結して閉じ、緻密なガラス、セラミックス、または硬いコーティングになります。これは、シリカガラスを溶かすのに必要なおよそ 1,700 °C よりはるかに低い温度です。エアロゲルは、焼成せずに使うことが多くあります。

主なポイント

材料

シリカ、チタニア、ジルコニア、アルミナ、混合酸化物。ガラスとプラスチックのハイブリッド

代表的な部品

光学コーティングと反射防止コーティング、保護膜、エアロゲルの断熱材、微細なセラミック粉末、繊維

部品サイズ

ほぼどんな大きさの部品にも、厚さ数ナノメートルから数マイクロメートルの膜。中実の塊は、乾燥で大きなものが割れるため、通常は数センチ角まで

精度

膜厚をおよそ数十ナノメートル単位で制御できる

表面仕上げ

非常になめらかで、光学的に透明な膜

向いているロット数

研究室の 1 つの試料から、ガラス用の連続コーティングラインまで

金型・設備コスト

コーティングなら低い:ガラス器具とディップコーターやスピンコーターは数千ドルから。超臨界乾燥装置ははるかに高い

速度

コーティングは数分。ゲル化は数時間から数日。中実の塊の乾燥には数日かかることも

強みと限界

使われる場所

• 光学レンズやガラスの反射防止コーティングとフィルターコーティング
• 建築とエネルギーエアロゲルの断熱ブランケット、太陽電池用ガラスのコーティング
• エレクトロニクスとセンサー酸化物の薄膜、ガスセンサーと湿度センサー
• 保護コーティング金属やプラスチックの、耐傷性と耐食性の膜
• 宇宙科学NASA のスターダスト計画のような、エアロゲルの塵の捕集器
• セラミックスと触媒非常に微細で純粋な粉末と、多孔質の触媒担体

見分け方

• 薄いコーティングは、シャボン玉のように、光の干渉でかすかな虹色や青みがかった色合いを見せます。
• 反射防止レンズは、傾けるとわずかに色づいて見え、反射する光はほとんどありません。
• エアロゲルは凍った青い煙のように見え、ほとんど重さを感じません。
• 自然乾燥させたバルクの塊は小さく、細かいひびが見えることもあります。

比較

動画を見る

Aerogels: The Materials Science of Empty Space

University of California Television (UCTV) · 研究室の専門家によるゾルゲルの化学と、最初のステップのライブデモ(5:00 ごろから)

Making aerogel

NileRed · 自宅での全工程:混合、ゲル化、溶媒置換、超臨界乾燥

Supercritical fluids

nottinghamscience · 特別な乾燥ステップの仕組み

I Waterproofed Myself With Aerogel!

Veritasium · 完成したエアロゲルがどんなもので、何に使われるか

実写真を見る

• Wikipedia:Sol–gel process — ゾルから、膜、キセロゲル、エアロゲルまでの工程図
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