УМО для подготовки кадров по программам высшего профессионального образования для тематического направления ННС «Композитные наноматериалы» (стр. 2 )

"Основы золь-гель технологии нанокомпозитов"

Курс 3

Семестр 5

Лекции 32 ч Экзамены -

Практические занятия 12 ч Зачёт 1 Семестр 5

Самостоятельная подготовка 36 ч Курсовая работа -

в т. ч. курсовая работа -

Всего 80 ч

Рабочая учебная программа дисциплины "Основы золь-гель технологии нанокомпозитов" составлена в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования и примерным учебным планом подготовки бакалавров по направлению «Нанотехнология» с профилем подготовки «Композитные наноматериалы», в части профессиональных дисциплин (вариативная часть).

3 Рабочая Программа дисциплины

"Основы золь-гель технологии нанокомпозитов":

Введение.

Термины и определения (золь, гель, ксерогель, аэрогель, механизм перехода в гель, точка перехода в гель, гелеобразование с формированием гигантского кластера и т. д.). Золь-гель технология как нанотехнология: от исходных компонентов и до продуктов синтеза. Основные принципы золь-гель синтеза. Ассортимент получаемых материалов: порошки, аэрогели, керамика, стекло, покрытия, волокна и т. п.. Достоинства и недостатки золь-гель синтеза.

РАЗДЕЛ 1. Золи. Классификация. Методы синтеза. Свойства

Тема 1. Золь-гель системы как объект коллоидной химии. Партикулярные золи (определение, их особенности). Анализ сил, действующих на частицы золя. Электростатическое взаимодействие. Мицеллобразование. Использование электрокинетического потенциала для оценки устойчивости золей. Теория ДЛФО, в т. ч. с учетом структурной составляющей. Коррективы, вносимые в теорию ДЛФО, при рассмотрении нанообъектов. Синтез и применение партикулярных золей на практике (золи диоксида кремния).

Тема 2. Полимерные золи: определения, примеры. Реакция гидролитической поликонденсации, как основополагающая реакция золь-гель синтеза на примере алкоксисоединений. Золи как структурируемые жидкости. Реологические свойства золей. Влияние природы прекурсоров (алксоксиды кремния и металлов, щелочные силикаты) на структуру и свойства получаемых материалов. Особенности проведения гидролиза в кислой и щелочной среде. Варьирование pH-средой гидролиза (кислотно-кислотный, кислотно-щелочной и щелочной). Влияние природы растворителя на скорость гидролиза и поликонденсации. Образование сетки неорганического полимера в условиях избытка и недостатка воды. Продукты золь-гель синтеза. Использование неорганических допантов для модификации свойств получаемых материалов. Физико-химические процессы, протекающие в многокомпонентных золь-гель системах.

Тема 3. Классификации золь-гель процессов и продуктов золь-гель синтеза. Золь-гель процессы первого поколения с образованием оксидных материалов и покрытий (стекло, керамика, стеклокерамика). Золь-гель процессы второго поколения с образованием гибридных органо-неорганических материалов. Классификация продуктов золь-гель синтеза по степени взаимодействия между компонентами композитов

Тема 4. Синтез органо-неорганических композитных материалов и их свойства. Основные методы золь-гель синтеза органо-неорганических материалов. Классификация органо-неорганических нанокомпозитов (ОРМОСИЛы, КЕРАМЕРы, ОРМОКЕРы, ОРМОЛИТы, ВПС-структуры). Структура органо-неорганических гибридов. Органо-неорганические нанокомпозитов – новый класс материалов. Понятие темплатного синтеза и примеры темплатного синтеза при получении высокопористых композиционных материалов

Раздел 2. Современные модельные представления о золь-гель процессах. Основы теории фракталов и теории перколяции.

Тема 5. Понятия о фрактальных системах. Классификация фракталов. Фрактальные агрегаты. Количественные характеристики фракталов. Физические фракталы.

Тема 6. Основы теории перколяции. Основные понятия теории перколяции. Задачи теории перколяции, задачи узлов, задачи связей и смешанные задачи и их решения. Типы и размерности решеток. Переход "металл-диэлектрик". Порог протекания, критические индексы, бесконечный кластер. Нанокомпозиты с фрактальной и перколяционной структурами. Перколяционный переход. Динамические перколяционные модели

Тема 7. Основные модели роста фрактальных агрегатов в золь-гель-процессах. Модели "кластер–частица". Кластер-кластерные модели. Модель химически ограниченной агрегации. Модель кластер-кластерной агрегации с учетом дальнодействующего эффекта притяжения. Кластер-кластерные модели с расширенной деталировкой механизмов роста.

Раздел 3. Экспериментальные методы исследования нанокомпозитов с фрактальной структурой

Тема 8. Экспериментальные методы исследования фрактальной размерности. Оценка массовой фрактальной размерности по значению плотности агрегата. Анализ микрофотографий. Методы малоуглового рассеяния. Эффект малоуглового рассеяния. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей. Эффект рассеяния. Кривая малоуглового рассеяния. Область Гинье, область Порода.

Тема 9. Применение метода малоуглового рассеяния рентгеновских лучей для анализа золь-гель-процессов. Особенности исследования нанокомпозитов с многоуровневой фрактальной структурой, Массовые и поверхностные фракталы в реальных золь-гель системах. Идентификация режимов и областей малоуглового рассеяния. Параметры фрактальности. Нефрактальное поведение зол-гель систем.

РАЗДЕЛ 4. Основные технологические аспекты получения стекловидных пленок, покрытий, порошков и керамических нанокомпозитов. Применение продуктов золь-гель технологии.

Тема 10. Реологические свойства золей. Эффективная вязкость. Контроль процессов ньютоновская жидкость → структурированная жидкость → гель. Методы измерения вязкости. Капиллярный метод, метод падающего шара, ротационный метод и ультразвуковой метод. Влияние природы прекурсоров на структуру и свойства получаемых материалов. Продукты золь-гель синтеза. Использование неорганических допантов для модификации свойств получаемых материалов.

Тема 11. Получение стекловидных пленок и гибридных органо-неорганических покрытий для микроэлектроники. Особенности применения стекловидных пленок в планарной технологии микроэлектроники. Достоинства метода. Технологические факторы золь-гель процесса. Температурно-временные режимы золь-гель-нанотехнологии Формирование пленок на подложках Термическая обработка пленок

Тема 12. Особенности получения гибридных органо-неорганических нанокомпозитов для электроизоляционных покрытий. Стекловидные электроизоляционные покрытия для проводов и пластин с повышенной термической стойкостью. Пример расчета состава исходныхкомпонентов. Органические и высокомолекулярные добавки. Влияние модифицирующих добавок на технические характеристики стеклокерамических покрытий.

Тема 13. Керамические нанокомпозиты. Получение оксидных материалов. Керамический метод. Формирование порошков и нанопорошков. Методы получения керамических материалов с помощью золь-гель процессов. Сравнение традиционной керамической технологии с золь-гель методом получения нанокомпозитов

Тема 14. Использование золь-гель технологии в цикле изготовления мембран водородных топливных элементов. Механизм протонной проводимости. Протонпроводящие полимерные мембраны. Протонная проводимость силикофосфатных нанокомпозитов.

Тема 15. Особенности технологии получения функциональных перколяционных сетчатых наноструктур. Продукты золь-гель методов в микроэлектронике и наноэлектронике. Физическое разделение области неустойчивости. Двумерное фазовое разделение.

Тема 16. Методы контроля процессов, протекающих при термообработке пленок и ксерогелей. Применение ДТА и РФА. Методики нанодиагностики эволюции фрактальных структур. Внутреннее трение (ВТ) в твердых телах. Применение метода ВТ для анализа золь-гель систем.

Тема 17. Основные виды продукции, получаемые золь-гель-методом. Виды продукции, выпускаемые крупнейшими промышленными фирмами.

Заключение

Перспективы развития золь-гель технологии нанокомпозитов в ближайшее десятилетие. Развитие методов физико-химического анализа и их применение для изучения структуры, состава и свойств продуктов золь-гель синтеза. Использование золь-гель систем в наноэлектронике. Перспектива дальнейшего развития синтеза органо-неорганических наноматериалов.

4 Контрольные вопросы по курсу в целом

Основные принципы золь-гель синтеза. Достоинства и недостатки золь-гель синтеза. Партикулярные золи (определение, их особенности). Силы, действующих на частицы золя. Электростатическое взаимодействие. Мицеллобразование. Использование электрокинетического потенциала для оценки устойчивости золей. Теория ДЛФО. Коррективы, вносимые в теорию ДЛФО, при рассмотрении нанообъектов. Синтез и применение партикулярных золей на практике (золи диоксида кремния). Полимерные золи: определения, примеры. Реакция гидролитической поликонденсации, как основополагающая реакция золь-гель синтеза на примере алкоксисоединений. Золи как структурируемые жидкости. Реологические свойства золей. Влияние природы прекурсоров (алксоксиды кремния и металлов, щелочные силикаты) на структуру и свойства получаемых материалов. Особенности проведения гидролиза в кислой и щелочной среде. Влияние природы растворителя на скорость гидролиза и поликонденсации. Образование сетки неорганического полимера в условиях избытка и недостатка воды. Использование неорганических допантов для модификации свойств получаемых материалов. Физико-химические процессы, протекающие в многокомпонентных золь-гель системах. Золь-гель процессы первого поколения с образованием оксидных материалов и покрытий (стекло, керамика, стеклокерамика). Золь-гель процессы второго поколения с образованием гибридных органо-неорганических материалов. Классификация продуктов золь-гель синтеза по степени взаимодействия между компонентами композитов Синтез органо-неорганических композитных материалов и их свойства. Основные методы золь-гель синтеза органо-неорганических материалов. Классификация органо-неорганических нанокомпозитов (ОРМОСИЛы, КЕРАМЕРы, ОРМОКЕРы, ОРМОЛИТы, ВПС-структуры). Структура органо-неорганических гибридов. Органо-неорганические нанокомпозитов – новый класс материалов. Понятие темплатного синтеза и примеры темплатного синтеза при получении высокопористых композиционных материалов Понятия о фрактальных системах. Классификация фракталов. Фрактальные агрегаты. Количественные характеристики фракталов. Физические фракталы. Основные понятия теории перколяции. Задачи теории перколяции, задачи узлов, задачи связей и смешанные задачи и их решения. Переход "металл-диэлектрик". Порог протекания, критические индексы, бесконечный кластер. Нанокомпозиты с фрактальной и перколяционной структурами. Перколяционный переход. Основные модели роста фрактальных агрегатов в золь-гель-процессах. Модели "кластер–частица". Кластер-кластерные модели. Модель химически ограниченной агрегации. Модель кластер-кластерной агрегации с учетом дальнодействующего эффекта притяжения. Кластер-кластерные модели с расширенной деталировкой механизмов роста. Экспериментальные методы исследования фрактальной размерности. Оценка массовой фрактальной размерности по значению плотности агрегата. Анализ микрофотографий. Методы малоуглового рассеяния. Эффект малоуглового рассеяния. Кривая малоуглового рассеяния. Область Гинье, область Порода. Применение метода малоуглового рассеяния рентгеновских лучей для анализа золь-гель-процессов. Особенности исследования нанокомпозитов с многоуровневой фрактальной структурой. Массовые и поверхностные фракталы в реальных золь-гель системах. Идентификация режимов и областей малоуглового рассеяния. Параметры фрактальности. Нефрактальное поведение зол-гель систем. Реологические свойства золей. Эффективная вязкость. Контроль процессов ньютоновская жидкость → структурированная жидкость → гель. Методы измерения вязкости. Капиллярный метод, метод падающего шара, ротационный метод и ультразвуковой метод. Получение стекловидных пленок и гибридных органо-неорганических покрытий для микроэлектроники. Особенности применения стекловидных пленок в планарной технологии микроэлектроники. Температурно-временные режимы золь-гель-нанотехнологии для микроэлектроники. Формирование пленок на подложках Особенности получения гибридных органо-неорганических нанокомпозитов для электроизоляционных покрытий. Стекловидные электроизоляционные покрытия для проводов и пластин с повышенной термической стойкостью. Органические и высокомолекулярные добавки. Влияние модифицирующих добавок на технические характеристики стеклокерамических покрытий. Керамические нанокомпозиты. Получение оксидных материалов. Керамический метод. Формирование порошков и нанопорошков. Методы получения керамических материалов с помощью золь-гель процессов. Сравнение традиционной керамической технологии с золь-гель методом получения нанокомпозитов Применение золь-гель технологии в цикле изготовления мембран водородных топливных элементов. Механизм протонной проводимости. Протонпроводящие полимерные мембраны. Протонная проводимость силикофосфатных нанокомпозитов. Особенности технологии получения функциональных перколяционных сетчатых наноструктур. Физическое разделение области неустойчивости. Двумерное фазовое разделение. Методы контроля процессов, протекающих при термообработке пленок и ксерогелей. Применение ДТА и РФА. Методики нанодиагностики эволюции фрактальных структур. Внутреннее трение (ВТ). Применение метода ВТ для анализа золь-гель систем. Основные виды продукции, получаемые золь-гель-методом. Виды продукции, выпускаемые крупнейшими промышленными фирмами. Перспективы развития золь-гель технологии нанокомпозитов. Использование золь-гель систем в наноэлектронике.

5 Список рекомендованной литературы

по дисциплине

"Основы золь-гель технологии нанокомпозитов"

1.  , Мошников В. А., , Шилова О. А. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов. 2 изд. СПб.: Элмор, 2008

2.  Мошников В. А., Шилова О. А. Золь-гель-нанотехнология // В кн. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы / Под ред. В. В. Лучинина, Ю. М. Таирова. М.: Физматлит, 2006. С.205–249.

3.  Шабанова Н. А., Саркисов П. Д. Основы золь-гель-технологии нанодисперсного кремнезема. М.: ИКЦ "Академкнига", 2004.

4.  Brinker C. J., Scherer G. W. Sol-Gel Science. The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. San Diego: Academic Press, 1990.

5.  Воюцкий коллоидной химии. 2-е изд. М.: Химия, 1976.

6.  Шкловский Б. И., Эфрос А. Л. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979.

7.  Смирнов Б. М. Фрактальные кластеры // Успехи физических наук. 1986. Т. 149, № 2. С. 177–219.

8.  Жюльен Р. Фрактальные агрегаты // Успехи физических наук. 1989.

Дополнительная литература

1.  Семиченко Г. Д. Золь-гель-процесс в керамической технологии. Харьков: Чтиво, 1997.

2.  Карягин Ю. В., Ангелов И. И. Чистые химические вещества. 4-е изд. М.: Химия, 1974.

3.   Химия. Справочное руководство. Л.: Химия, 1975.

4.   Ормонт Б. Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. М.: Высш. шк., 1982.

5.   Уэндлан У. Термические методы анализа. М.: Мир, 1978.

6.   Шестак Я. Теория термического анализа. М.: Мир, 1987.

7.  . Постников В. С. Внутреннее трение в металлах. М.: Металлургия, 1974

6 Информационные технологии и ресурсы для самостоятельной работы студентов

по дисциплине

"Основы золь-гель технологии нанокомпозитов"

№	Название (адрес в Интернет)
Э1	, Могильников -химические основы получения твердофазных материалов электронной техники. Курс лекций. Екатеринбург, 1998г. (http:/virlib. /win/metod_materials/win7)
Э2	Перcт - Перспективные технологии. (http://perst. isssph. *****/)
Э3	Materials Today. (http://www. /home. htm)
Э4	, , Шевельков неорганические материалы со специальными функциями /Лекции/М.: МГУ, 2002г. (http://www. chem. msu. su/rus/teaching/materials)

7 ТЕКСТ ЛЕКЦИЙ ДИСЦИПЛИНЫ

"Основы золь-гель технологии нанокомпозитов"

Предназначено для подготовки бакалавров по направлению «Нанотехнология» с профилем подготовки «Композитные наноматериалы»

Введение

Термины и определения: золь, гель, ксерогель, аэрогель, механизм перехода в гель, точка перехода в гель, гелеобразование с формированием гигантского кластера и т. д. Золь-гель технология как нанотехнология: от исходных компонентов и до продуктов синтеза. Основные принципы золь-гель синтеза. Ассортимент получаемых материалов: порошки, аэрогели, керамика, стекло, покрытия, волокна и т. п. Достоинства и недостатки золь-гель синтеза.

Термины и определения

Термины "золь-гель-система", "золь-гель-синтез", "золь-гель-техноло-гия" и, наконец, "золь-гель-наука" встречаются сейчас все чаще и чаще. Они заимствованы из англоязычной научно-технической литературы (sol-gel system, sol-gel synthesis, sol-gel processing, sol-gel science), но сейчас широко используются при написании научных статей на русском языке. В середине прошлого века таких терминов в употреблении не было. Растворы, используемые в золь-гель-синтезе, обычно называли коллоидными или полуколлоидными, а сам способ именовался химическим методом получения того или иного материала. Некоторое время в ходу были термины "растворная керамика", "коллоидная обработка".

Словосочетание "золь-гель" стали применять с конца 1980-х гг. для обозначения материалов, формируемых в результате гелеобразования (перехода золя в гель), а также процессов, лежащих в основе этого явления. Поэтому до знакомства с золь-гель-технологией целесообразно разобраться в том, что такое "золь" и что такое "гель".

В отличие от новых терминов, появившихся в конце XX в. и включающих словосочетание "золь-гель", сами понятия о золе и геле известны с давних времен. Материалы, находящиеся в состоянии золя и геля, являются предметом изучения различных дисциплин: коллоидной химии, химии высокомолекулярных соединений, физхимии силикатов и др. Кроме того, состояние золя характерно для "строительных материалов" живой природы, поэтому золь-гель-процессы сейчас активно используют и в биотехнологиях.

Можно дать несколько определений золя. Одно из наиболее развернутых введено в монографии известных американских исследователей К. Д. Бринкера и Г. В. Шерера Золь – это коллоидная дисперсия твердых частиц в жидкости. Коллоиды – это суспензии, в которых дисперсная фаза так мала (1…1000 нм), что гравитационными силами можно пренебречь, а доминирующими считать короткодействующие ван-дер-ваальсовы силы, а также силы притяжения и отталкивания между поверхностными зарядами. Инерция дисперсной фазы весьма мала, поэтому возникает броуновское движение (броуновская диффузия) частиц, т. е. их случайные скачки, вызываемые кинетической энергией, сообщаемой за счет столкновений с молекулами дисперсионной среды. Полезным для понимания природы золя является уточнение, что частицы дисперсной фазы обычно являются не молекулами, но агрегатами, состоящими из множества молекул.

Иногда в современной литературе золи разделяют на коллоидные (colloidal) и полимерные (polymeric). При этом к коллоидным золям (золям из макрочастиц) принято относить золи, в которых твердая дисперсная фаза образована частицами, а к полимерным – золи, сформированные на основе разветвленных макромолекул. Механизмы гелеобразования коллоидных и полимерных золей различны.

Гель из полимерного золя образуется в процессе полимеризации мономеров и полимеров, находящихся в золе. Постепенно из полимеризующихся разветвленных олигомеров образуется гигантский кластер. Когда этот кластер достигнет макроскопических размеров и распространится на весь объем золя, говорят, что произошел переход золя в гель. При этом гель будет состоять, с одной стороны, из непрерывной структурной сетки – твердого скелета (остова), а с другой – из непрерывной жидкой фазы.

Гель из коллоидного золя образуется по другому механизму. Частицы дисперсной фазы (мицеллы) под воздействием дисперсионных сил притяжения взаимодействуют друг с другом, образуя остов неорганического полимера.

Дать определение геля, исходя из типа химических связей и взаимодействий, не представляется возможным, поскольку в зависимости от типа золя в золь-гель-системе происходят совершенно разные химические и физические процессы. Для полимерных гелей характерно наличие ковалентных связей между молекулами и фрагментами молекул, образующих гигантский кластер. Коллоидные гели создаются, как правило, за счет Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения между агрегатами. При этом в коллоидных системах эти связи могут быть обратимыми, то есть могут разрушаться в процессе встряхивания, а затем восстанавливаться. В полимерных системах ковалентные связи являются постояннодействующими.

Бринкер и Шерер интерпретируют понятие о геле следующим образом. Гель состоит из непрерывных твердой и жидкой фаз, которые имеют коллоидные размеры (от 1 до 1000 нм). Образно говоря, можно совершить путешествие из одного конца образца геля в другой только по твердой фазе или, наоборот, "плыть" по жидкой фазе. Эти фазы являются непрерывными взаимопроникающими системами.

Согласно современным представлениям формирование геля начинается с образования фрактальной структуры золя, роста фрактальных агрегатов до таких размеров, пока они не начнут сталкиваться и сцепляться между собой, как это описывает теория перколяции (теория протекания). Около точки гелеобразования случайно расположенные соседние кластеры, состоящие из полимеров или агрегатов частиц, соединяются вместе, образуя единую структурную сетку. Точка гелеобразования соответствует порогу протекания (перколяции), когда образуется единый стягивающий кластер, как бы расширившийся по всему объему золя. После прохождения точки гелеобразования золь теряет подвижность и застудневает, преобразуясь в так называемый "мокрый гель" (рис. В.1).

Мокрый гель обычно принимает форму того сосуда, в котором находился золь. Формирование геля не останавливается в точке гелеобразования. Обычно говорят, что в процессе выдержки во времени гель "стареет". Термин "старение геля" относится к процессам структурных изменений, происходящих после точки гелеобразования в мокром геле. В образовавшемся мокром геле единый кластер сосуществует с золем, который содержит множество мелких кластеров. При этом осуществляется процесс непрерывного присоединения последних к общему остову – непрерывному гигантскому кластеру.

Рис. В.1. Схема перехода золя в гель через точку гелеобразования

Кроме того, в гелях могут продолжаться реакции конденсации, не прошедшие до конца в золях, происходят процессы переосаждения мономеров или олигомеров, имеют место и фазовые переходы типа "твердая фаза « жидкость".

В процессе старения геля обычно происходит его усадка. Она включает деформацию сетки геля и удаление жидкости из пор. Высушенный гель называют ксерогелем. Объем ксерогеля часто в 5…10 раз меньше, чем объем мокрого геля. Существуют специальные приемы, которые позволяют высушить мокрый гель без разрушения его структуры. Например, современным методом получения аэрогелей* является суперкритическая сушка. Для этого мокрый гель помещается в автоклав и сушится в суперкритических условиях**, при которых устраняется действие капиллярных сил, препятствующих удалению жидкости из пор.

После сушки ксерогели и аэрогели подвергают обжигу, в процессе которого формируется стеклообразный или керамический материал. Во время обжига происходит множество сложных физических и химических процессов, связанных с деструкцией органических фрагментов, встроенных в неорганическую сетку геля, с удалением растворителей, летучих продуктов деструкции и химически связанной воды. Происходит перестройка структуры неорганического полимера – идут процессы спекания, а в ряде случаев и кристаллизации.

Основные принципы золь-гель нанотехнологии. Продукты синтеза.

Все основные процессы Основные принципы золь-гель синтеза, протекающие во время золь-гель-перехода, и продукты, получаемые золь-гель-синтезом, схематически изображены на рис. В.2, где обозначены: I – созревание золя и гелеобразование: золь (1) → гель (2); II – сушка в суперкритических условиях или промывание геля в растворителях: гель (2) → аэрогель (3); III – сушка в обычных условиях: гель (2) → ксерогель (4); IV – осаждение наночастиц: золь (1) → порошок (6); V – нанесение золя на подложки: золь (1) → пленка ксерогеля (7); VI – обжиг: ксерогель (4) или пленка ксерогеля (7) → монолитные стекло и керамика (5) или пленки и покрытия (8).

Рис. В.2. Принципиальная схема получения различных материалов, покрытий и порошков методами золь-гель-технологии

Таким образом, термином "золь-гель-процесс" обозначают технологию получения неорганических и гибридных органо-неорганических материалов (катализаторы, адсорбенты, керамические и другие композиты) на основе превращения гомогенных растворов в золь и далее в гель.

Физико-химические процессы, протекающие в золе . Прекурсоры

Остановимся подробнее на веществах, которые являются "виновниками" образования золя, т. е. на тех веществах, благодаря которым в водно-спиртовых растворах образуются золи. Их называют прекурсорами (precursor в переводе с английского – "предшественник"). Как правило, это соединения, способные к гидролизу: алкоксиды металлов Me(OR)n, где M – металл, OR – алкоксильные группы (например, CH3O–, C2H3CH2O–), алкоксисоединения, соли, кислоты. Алкоксиды, в которых место металла занимает кремний, называются алкоксисоединениями (например, Si(OR)4). Они часто используются для целей микроэлектроники.

В настоящее время золь-гель-технологии неорганических материалов интенсивно развиваются. С их помощью получены новые виды тонкой керамики, тонкие пленки с уникальными физическими свойствами, оптические среды, неорганические композиты, нанокомпозиты. Очень большая часть научных работ посвящена золь-гель-технологиям оксидных материалов, что связано с исключительной ролью этих материалов в полупроводниковой газочувствительной сенсорике, катализе, волоконной оптике и радиотехнической керамике.

В последнее время большой интерес вызывают получение и исследование нанокомпозитов, особенно органо-неорганических нанокомпозитов и нанокомпозитов с использованием добавок в виде наночастиц, углеродных нанотрубок, дендримеров и т. п.

Далее будут более подробно рассмотрены особенности структуры нанокомпозитов, формируемых этим методом, с привлечением понятия о фрактале.

РАЗДЕЛ I. Золи. Классификация. Методы синтеза. Свойства

Тема 1. Золь-гель системы как объект коллоидной химии. Партикулярные золи (определение, их особенности). Анализ сил, действующих на частицы золя. Электростатическое взаимодействие. Мицеллобразование. Использование электрокинетического потенциала для оценки устойчивости золей. Теория ДЛФО, в т. ч. с учетом структурной составляющей. Коррективы, вносимые в теорию ДЛФО, при рассмотрении нанообъектов. Синтез и применение партикулярных золей на практике (золи диоксида кремния).

Золь-гель системы как объект коллоидной химии Дисперсными называют системы, образующиеся из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. В дисперсных системах по крайней мере одна из фаз (дисперсная фаза) распределена в виде мелких частиц (кристаллов, нитей, пленок, пластинок, нанотрубок, капель, пор) в другой, сплошной фазе – дисперсионной среде. Как видно из табл. 1.1, существует 8 типов дисперсных систем, различающихся по агрегатному состоянию фаз. Дисперсные системы типа "газ–газ" не образуются.

По размерам частиц (по дисперсности) принято выделять грубодисперсные и тонкодисперсные (коллоидные) системы. В последних размер частиц составляет от 10–7 до 10–4 см.

С позиций коллоидной химии под термином "золь-гель-технология" обозначается совокупность процессов приготовления материалов, общими признаками которых являются гомогенизация исходных составляющих в виде раствора, их перевод в золь, а затем в гель. Стадия золь-гель-перехода приводит к формированию структурной сетки и протекает в жидкости, обычно в коллоидном растворе, при заданной температуре.

Таким образом, золи – это высокодисперсные коллоидные системы, в которых частицы дисперсной фазы участвуют в броуновском движении и только благодаря этому могут находиться в устойчивом состоянии. С термодинамической точки зрения золи неустойчивы.

Таблица 1.1

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Примеры дисперсных систем
Газ	Газ	Не существует
Жидкость	Газ	Туман, облака, аэрозоли
Твердое тело	Газ	Дым, пыль, порошки, аэрозоли твердых веществ
Газ	Жидкость	Пена, газовая эмульсия
Жидкость	Жидкость	Эмульсии, молоко
Твердое тело	Жидкость	Суспензии, коллоидные растворы, золи
Газ	Твердое тело	Твердые пены, хлеб, пемза, силикагель, активные угли
Жидкость	Твердое тело	Жемчуг, гели, капиллярные системы
Твердое тело	Твердое тело	Минералы, сплавы, цветные стекла

Для понимания процессов, протекающих в дисперсных системах, существенное значение имеет оценка интенсивности взаимодействия фаз. Коллоидные системы делят на лиофильные и лиофобные (в случае водных растворов – гидрофильные и гидрофобные). В лиофильных дисперсных системах молекулярное взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой велико, а удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение) на межфазной границе мала. Напротив, в лиофобных системах межфазное поверхностное натяжение велико, и система проявляет тенденцию к самоукрупнению дисперсной фазы. В конечном итоге это приводит к коагуляции частиц и выпадению осадка. Для сохранения устойчивости в лиофобные дисперсные системы добавляют стабилизаторы – вещества, адсорбирующиеся на поверхности раздела фаз и образующие защитные слои, препятствующие сближению частиц дисперсной фазы.