Sol‐Gel‐Chemie

Abstract

Zusammenfassung Der Sol‐Gel‐Prozess zur Erzeugung von Materialien mit oxidischer Grundstruktur ist eine Methode, die handwerklich sehr einfach ist (mischen – warten – verarbeiten – trocknen), bei der aber detaillierte chemische Kenntnisse notwendig sind, wenn man die optimalsten Materialeigenschaften erzielen und alle Möglichkeiten ausschöpfen möchte, die die Methode bietet („better materials through chemistry“). Der Grund dafür ist, dass die Gel‐Synthese kinetisch kontrolliert abläuft, die erhaltenen Materialien also amorph und metastabil sind. Jeder Parameter, der die Reaktionsgeschwindigkeiten der Precursoren oder Intermediate beeinflusst, hat daher Auswirkungen auf Struktur und Eigenschaften der Gele und muss genau kontrolliert werden. Die chemische Zusammensetzung der Gele lässt sich durch geeignete Precursor‐Kombinationen nahezu beliebig anpassen. Das bietet die Möglichkeit, Materialeigenschaften gezielt zu beeinflussen und anspruchsvolle, „maßgeschneiderte“ Materialien herzustellen.

Neue Materialien

“…Über den Sol‐Gel‐Prozess hergestellte Metalloxide sind typische Beispiele für amorphe Stoffe, die unter kinetischer Reaktionskontrolle entstehen (Infokasten 1). Den unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten der einzelnen Vorstufen kann durch eine Reihe „chemischer Tricks“ Rechnung getragen werden (siehe dazu [4]), um für das Auge oder unter dem Mikroskop homogene Materialien zu erhalten (auf atomarer Ebene können Inhomogenitäten auftreten, z.B. Cluster‐artige Strukturen – Homogenität ist eine Frage der Längenskala bei der Betrachtung).…”

“…Besonders beim Sol-Gel-Prozess [4] nützt man die Möglichkeit, amorphe oder glasartige Materialien nahezu beliebiger Zusammensetzung herzustellen sehr intensiv. Wie mit einem Lego ® -Baukasten lassen sich molekulare Vorstufen (Precursoren) nahezu beliebig miteinander kombinieren.…”

“…Beim Sol-Gel-Prozess [4] entstehen Metalloxide oder anorganisch-organische Hybridmaterialien mit oxidischem Grundgerüst durch schrittweise Hydrolyse-und Kondensationsreaktionen, ausgehend von hydrolysierbaren molekularen Vorstufen. Es entstehen zunächst kolloidale Partikel, die zu dreidimensionalen Netzwerken aggregieren.…”

“…Für die Erzeugung von SiO 2 ‐Schichten über den Sol‐Gel‐Prozess [4] ist Si(OEt) 4 (allgemein: ein Tetraalkoxysilan Si(OR) 4 ) auch eine der wichtigsten molekularen Vorstufen. Im Unterschied zur thermischen Zersetzung bei CVD‐Prozessen (Gleichung ()) entsteht SiO 2 im Sol‐Gel‐Prozess allerdings durch Kondensationsreaktionen, bei denen Ethanol eliminiert wird (Gleichung ()).…”

Ein Vergleich der Chemie von Silicium und Titan

“…Dabei kommen aber hauptsächlich Silicium‐ oder Titan‐Alkoxide, M(OR) 4 , zum Einsatz. Der Sol‐Gel‐Prozess wurde in einem anderen Artikel ausführlich geschildert . Er lässt sich formal in zwei Teilreaktionen aufspalten: In Hydrolyse‐Reaktionen werden OR‐Gruppen durch OH‐Gruppen ersetzt und somit reaktive Spezies für die folgenden Kondensationsreaktionen erzeugt (Gleichung ); im weiteren Verlauf werden dann durch Wasser‐ (Gleichung oder, seltener, Alkohol‐Abspaltung (Gleichung aus den Si‐OH oder Si‐OR‐Gruppen Si‐O‐Si‐Gruppierungen und damit letztlich das oxidische Gel‐Netzwerk gebildet.…”