धडा 9.6आकार देणेप्रकरण 9 · पावडर आणि सिरॅमिक्स

सोल-जेल प्रक्रिया

द्रव जेलमध्ये घट्ट होतो, मग सुकवून भाजला जातो

सोल-जेल प्रक्रियेत काच आणि सिरॅमिक वितळणी किंवा पावडरऐवजी द्रवापासून बनतात. द्रवात लहान कण तयार होतात, ते एकमेकांत जोडून जेलीसारख्या जेलमध्ये बदलतात, आणि जेल सुकवून हळूवार तापवून घन बनवले जाते. काही कॅमेरा लेन्सवरील अँटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग आणि इन्सुलेशन म्हणून वापरले जाणारे भुतासारखे निळे एअरोजेल असे बनतात.

फोटो: NASA/JPL-Caltech, Public domain, स्रोत: Wikimedia Commons

सोल-जेल प्रक्रिया · सोल, जेल, सुकवा, भाजा, आणि आकार देण्याचे मार्गवरची ओळ सामग्रीचा द्रवापासून घनापर्यंतचा प्रवास दाखवते; खालची ओळ ती अजून द्रव असताना तिला आकार कसा दिला जातो ते दाखवते. वर्तुळातील क्रमांक पायऱ्यांशी जुळतात.

हे कसे चालते

सोल बनवा. धातू किंवा सिलिकॉन असलेली द्रव रसायने (जसे TEOS, सिलिकॉनचे संयुग) पाणी, अल्कोहोल आणि थोडे आम्ल किंवा आम्लारी यात मिसळली जातात. अभिक्रिया काही नॅनोमीटर रुंदीचे कण बनवतात, ज्यातून सोल मिळतो: लहान घन कण तरंगणारा द्रव.
आकार द्या. अजून द्रव असताना सोल भागावर डिप-कोट किंवा स्पिन-कोट केला जातो, फवारला जातो, मोल्डमध्ये ओतला जातो किंवा तंतूंमध्ये ओढला जातो.
जेल होऊ द्या. कण एकमेकांत जोडून संपूर्ण आकारमानात पसरलेले जाळे बनवतात आणि द्रवाला अडकवतात, जिलेटिन घट्ट होण्यासारखे. यासाठी मिनिटे ते दिवस लागतात; जास्त वेळ ठेवल्याने (एजिंग) जाळे अधिक मजबूत होते.
सुकवा. संथ बाष्पीभवन जाळे एकत्र ओढते, म्हणून जेल दाट, काचेसारख्या झेरोजेलमध्ये आकुंचन पावते आणि घाई केली तर तडकू शकते. द्रवाच्या क्रिटिकल पॉइंटच्या वर सुकवल्याने (सुपरक्रिटिकल ड्रायिंग, जिथे पृष्ठीय ताण नसतो) जाळे उघडे राहते, आणि बहुतेक हवेचे एअरोजेल मिळते.
भाजा. साधारणपणे 400–1,200 °C पर्यंत तापवल्याने उरलेले सेंद्रिय पदार्थ जळतात आणि छिद्रे सिंटर होऊन बंद होतात, ज्यातून दाट काच, सिरॅमिक किंवा कडक कोटिंग मिळते. सिलिका काच वितळवण्यासाठी लागणाऱ्या सुमारे 1,700 °C पेक्षा ते खूप कमी आहे. एअरोजेल अनेकदा भाजल्याशिवाय वापरले जातात.

मुख्य तथ्ये

साहित्य: सिलिका, टायटानिया, झिर्कोनिया, अ‍ॅल्युमिना आणि मिश्र ऑक्साइड; काच आणि प्लास्टिकचे हायब्रिड
सामान्य भाग: ऑप्टिकल आणि अँटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग, संरक्षक थर, एअरोजेल इन्सुलेशन, बारीक सिरॅमिक पावडर, तंतू
भागाचा आकार: जवळजवळ कोणत्याही आकाराच्या भागांवर नॅनोमीटरपासून काही मायक्रोमीटर जाडीचे थर; घन तुकडे सहसा फक्त काही सेंटीमीटर रुंद, कारण सुकताना मोठे तडकतात
अचूकता: थराची जाडी साधारणपणे काही दहा नॅनोमीटरपर्यंत नियंत्रित करता येते
पृष्ठभागाची फिनिश: अतिशय गुळगुळीत, प्रकाशीयदृष्ट्या स्वच्छ थर
कोणत्या बॅच आकारासाठी योग्य: एकेरी लॅब नमुन्यांपासून काचेसाठीच्या सलग कोटिंग लाइनपर्यंत
टूलिंग आणि मशीनचा खर्च: कोटिंगसाठी कमी: काचेची भांडी आणि डिप किंवा स्पिन कोटर काही हजार डॉलर्सपासून; सुपरक्रिटिकल ड्रायर खूप महाग
वेग: कोटिंगला मिनिटे लागतात; जेल होण्यास तास ते दिवस; घन तुकडे सुकवण्यास दिवस लागू शकतात

ताकद आणि मर्यादा

बलस्थाने

काच वितळवणे किंवा पावडर सिंटर करण्याच्या तुलनेत कमी तापमान
आण्विक स्तरावर मिसळलेली अतिशय शुद्ध, एकसारखी सामग्री
काच, धातू किंवा प्लास्टिकवर सहज पातळ, एकसारखे कोटिंग
एअरोजेलसारखी अद्वितीय उत्पादने, जी आतापर्यंत बनवलेली सर्वात हलकी घन पदार्थ आहेत

मर्यादा

मोठे घन तुकडे सुकताना तडकतात
मोठे आकुंचन, अनेकदा निम्म्याहून अधिक आकारमान
रसायने (अल्कॉक्साइड, सॉल्व्हेंट) महाग असतात आणि काही ज्वलनशील
संथ: जेल होणे आणि सुकवणे यासाठी तास ते दिवस लागतात

कुठे वापरली जाते

ऑप्टिक्सलेन्स आणि काचेवरील अँटी-रिफ्लेक्शन आणि फिल्टर कोटिंग
इमारती आणि ऊर्जाएअरोजेल इन्सुलेशन ब्लँकेट, सोलर काचेवरील कोटिंग
इलेक्ट्रॉनिक्स आणि सेन्सरपातळ ऑक्साइड थर, वायू आणि आर्द्रता सेन्सर
संरक्षक कोटिंगधातू आणि प्लास्टिकवरील ओरखडा- आणि गंज-प्रतिरोधक थर
अवकाश विज्ञानएअरोजेल धूळ संग्राहक, जसे NASA च्या Stardust मोहिमेवर
सिरॅमिक आणि उत्प्रेरकअतिशय बारीक, शुद्ध पावडर आणि सच्छिद्र उत्प्रेरक आधार

ओळखायची कशी

पातळ कोटिंग प्रकाशाच्या व्यतिकरणामुळे साबणाच्या बुडबुड्यासारख्या अंधुक इंद्रधनुष्यी किंवा निळसर छटा दाखवतात.
अँटी-रिफ्लेक्शन लेन्स तिरक्या केल्यावर किंचित रंगीत दिसतात आणि कमी प्रकाश परावर्तित करतात.
एअरोजेल गोठलेल्या निळ्या धुरासारखे दिसते आणि जवळजवळ वजनरहित वाटते.
हवेत सुकवलेले मोठे तुकडे लहान असतात आणि त्यावर बारीक तडे दिसू शकतात.