Lição 9.6MoldarCapítulo 9 · Pós e cerâmicas

Processo sol-gel

Um líquido vira gel, depois é seco e queimado

O processamento sol-gel faz vidro e cerâmica a partir de um líquido, em vez de um banho fundido ou de um pó. Minúsculas partículas se formam em um líquido, ligam-se em um gel gelatinoso, e o gel é seco e aquecido com suavidade até virar sólido. O revestimento antirreflexo de algumas lentes de câmera e o aerogel azul fantasmagórico usado como isolante são feitos assim.

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

Processamento sol-gel · sol, gel, secagem, queima e formas de moldarA fileira de cima acompanha o material do líquido ao sólido; a de baixo mostra como ele é moldado ainda líquido. Os números em círculo correspondem às etapas.

Como funciona

Faça o sol. Produtos químicos líquidos que contêm um metal ou silício (como o TEOS, um composto de silício) são misturados com água, álcool e um pouco de ácido ou base. Reações formam partículas de alguns nanômetros, dando um sol: um líquido com minúsculas partículas sólidas flutuando.
Dê forma. Ainda líquido, o sol é aplicado por imersão ou por spin coating sobre uma peça, pulverizado, vazado em um molde ou transformado em fibras.
Deixe gelificar. As partículas se ligam em uma rede que ocupa todo o volume e prende o líquido, como uma gelatina firmando. Isso leva de minutos a dias; deixá-lo descansar mais (envelhecimento) deixa a rede mais forte.
Seque. A evaporação lenta puxa a rede para si, então o gel encolhe em um xerogel denso e vítreo e pode trincar se for apressado. Secar acima do ponto crítico do líquido (secagem supercrítica, em que não há tensão superficial) mantém a rede aberta, dando um aerogel feito em sua maior parte de ar.
Queime. O aquecimento a geralmente 400–1.200 °C queima os orgânicos restantes e sinteriza os poros até fechá-los, dando vidro denso, cerâmica ou um revestimento duro. Isso está muito abaixo dos cerca de 1.700 °C necessários para fundir o vidro de sílica. Os aerogéis costumam ser usados sem queima.

Dados-chave

Materiais: Sílica, titânia, zircônia, alumina e óxidos mistos; híbridos de vidro e plástico
Peças típicas: Revestimentos ópticos e antirreflexo, películas protetoras, isolamento de aerogel, pós cerâmicos finos, fibras
Tamanho da peça: Películas de nanômetros a alguns micrômetros de espessura em peças de quase qualquer tamanho; peças sólidas costumam ter apenas centímetros, porque a secagem trinca as grandes
Precisão: Espessura da película controlável a cerca de dezenas de nanômetros
Acabamento superficial: Películas muito lisas e opticamente transparentes
Tamanho de lote adequado: De amostras únicas de laboratório a linhas contínuas de revestimento de vidro
Custo de ferramental e máquinas: Baixo para revestimentos: vidraria e aplicadores por imersão ou spin coating a partir de alguns milhares de dólares; secadores supercríticos custam muito mais
Velocidade: O revestimento leva minutos; a gelificação, de horas a dias; a secagem de peças sólidas pode levar dias

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Temperaturas baixas em comparação com fundir vidro ou sinterizar pó
Materiais muito puros e uniformes, misturados em nível molecular
Revestimentos finos e uniformes fáceis em vidro, metal ou plástico
Produtos únicos como os aerogéis, os sólidos mais leves já feitos

Limites

Peças sólidas grandes trincam durante a secagem
Grande contração, muitas vezes mais da metade do volume
Os produtos químicos (alcóxidos, solventes) são caros e alguns são inflamáveis
Lento: a gelificação e a secagem levam de horas a dias

Onde é usado

ÓpticaRevestimentos antirreflexo e de filtro em lentes e vidro
Construção e energiaMantas isolantes de aerogel, revestimentos em vidro solar
Eletrônica e sensoresPelículas finas de óxido, sensores de gás e de umidade
Revestimentos protetoresPelículas resistentes a riscos e à corrosão em metal e plástico
Ciência espacialColetores de poeira de aerogel, como na missão Stardust da NASA
Cerâmicas e catalisadoresPós muito finos e puros e suportes porosos de catalisadores

Como reconhecê-lo

Revestimentos finos mostram leves tons de arco-íris ou azulados por interferência da luz, como uma bolha de sabão.
Lentes antirreflexo parecem levemente coloridas quando inclinadas e refletem pouca luz.
O aerogel parece fumaça azul congelada e é quase sem peso ao toque.
Peças grandes secas ao ar são pequenas e podem mostrar trincas finas.

Compare com

Metalurgia do pó9.1também termina com sinterização, mas parte de um pó prensado, não de um líquido.Revestimento CVD11.9forma películas finas a partir de gases que reagem, geralmente mais quente e em uma câmara de vácuo.Deposição de camada atômica13.4faz crescer películas uma camada atômica por vez, mais preciso, mas muito mais lento.

Assista

University of California Television (UCTV) · Química sol-gel por um especialista de laboratório, com uma demonstração ao vivo das primeiras etapas (a partir de cerca de 5:00)

NileRed · O caminho completo em casa: misturar, gelificar, trocar solvente, secagem supercrítica

nottinghamscience · Como funciona a etapa especial de secagem

Veritasium · Como é o aerogel pronto e para que serve

Veja fotos reais

Wikipédia: Processo sol-gel — diagramas do processo, do sol à película, ao xerogel e ao aerogel
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

O sol-gel constrói um sólido a partir de um líquido: sol, depois gel, depois secagem, depois queima.
Funciona em baixa temperatura, o que o torna ideal para revestimentos finos e materiais puros.
O modo de secar o gel decide o resultado: xerogel denso ou aerogel leve como pluma.