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Proceso de Stöber

El proceso Stöber es un proceso químico utilizado para preparar sílice ( SiO 2 ) partículas [ 1 ] de tamaño controlable y uniforme [ 2 ] para aplicaciones en ciencia de material...

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El proceso Stöber es un proceso químico utilizado para preparar sílice ( SiO2 ) partículas [ 1 ] de tamañocontrolable y uniforme [ 2 ] para aplicaciones enciencia de materiales. Fue pionero [ 3 ] cuando fue reportado por Werner Stöber y su equipo en 1968, [ 1 ] y sigue siendo hoy el enfoque sintético de química húmedamás utilizadoparananopartículas. [ 3 ] Es un ejemplo de unproceso sol-gelprecursormolecular(típicamentetetraetilortosilicato) reacciona primerocon aguaen una solución alcohólica, las moléculas resultantesse unenpara construir estructuras más grandes. La reacción produce partículas de sílice con diámetros que van de 50 a 2000nm, dependiendo de las condiciones. El proceso ha sido investigado activamente desde su descubrimiento, incluyendo esfuerzos para comprender sucinéticaymecanismo:unde agregación de partículasse ajustaba mejor a los datos experimentales [ 4 ] que el modelo de LaMer hipotetizado inicialmente. [ 5 ] [ 6 ] La comprensión recientemente adquirida ha permitido a los investigadores ejercer un alto grado de control sobre el tamaño y la distribución de las partículas y ajustar con precisión las propiedades físicas del material resultante para adaptarlo a las aplicaciones previstas.  

En 1999 se informó de una modificación en dos etapas [ 7 ] que permitió la formación controlada de partículas de sílice con pequeños orificios . [ 8 ] El proceso se lleva a cabo a pH bajo en presencia de una molécula tensioactiva . La etapa de hidrólisis se completa con la formación de una microemulsión [ 9 ] antes de añadir fluoruro de sodio para iniciar el proceso de condensación. El tensioactivo no iónico se quema para producir poros vacíos, aumentando el área superficial y alterando las características superficiales de las partículas resultantes, lo que permite un control mucho mayor sobre las propiedades físicas del material. [ 7 ] También se han realizado trabajos de desarrollo para estructuras de poros más grandes, como monolitos macroporosos , [ 10 ] partículas de núcleo-capa basadas en poliestireno , [ 11 ] cicleno , [ 12 ] o poliaminas , [ 13 ] y esferas de carbono. [ 14 ]

La sílice producida mediante el proceso de Stöber es un material ideal para servir como modelo para estudiar fenómenos coloidales [ 15 ] debido a la monodispersidad (uniformidad) de sus tamaños de partícula. [ 16 ] Las nanopartículas preparadas mediante el proceso de Stöber han encontrado aplicaciones, incluyendo la administración de medicamentos dentro de estructuras celulares [ 17 ] y en la preparación de biosensores . [ 18 ] Los materiales de sílice porosa de Stöber tienen aplicaciones en catálisis [ 19 ] y cromatografía líquida [ 20 ] debido a su gran área superficial y sus estructuras de poros uniformes, ajustables y altamente ordenadas. También se pueden preparar aislantes térmicos altamente efectivos conocidos como aerogeles utilizando métodos de Stöber, [ 15 ] y las técnicas de Stöber se han aplicado para preparar sistemas de aerogel sin sílice. [ 21 ] Aplicando técnicas de secado supercrítico , se puede preparar un aerogel de sílice de Stöber con un área superficial específica de 700  m 2 ⋅g −1 y una densidad de 0,040  g⋅cm −3 . [ 22 ] La NASA ha preparado aerogeles de sílice con un enfoque de proceso de Stöber para las misiones Mars Pathfinder y Stardust . [ 23 ]

Proceso de un solo paso

Representación simplificada de la hidrólisis y condensación del TEOS en el proceso de Stöber.

El proceso Stöber es un método sol-gel para preparar sílice esférica monodispersa (uniforme) ( SiO2 ) materiales que fue desarrollado por un equipo liderado por Werner Stöber y reportado en 1968. [ 1 ] El proceso, una evolución y extensión de la investigación descrita en la disertación doctoral de Gerhard Kolbe de 1956, [ 24 ] fue un descubrimiento innovador que todavía tiene amplias aplicaciones más de 50 años después. [ 3 ] Precursor de síliceortosilicato de tetraetilo(Si(OEt)4 , TEOS) sehidrolizaen alcohol (típicamentemetanoloetanol) en presencia deamoníacocomocatalizador: [ 1 ] [ 25 ]

Si(OEt)4+H2O⟶Si(OEt)3OH+EtOH{\displaystyle {\ce {Si(OEt)4 + H2O -> Si(OEt)3OH + EtOH}}}
Si(OEt)4+2H2O⟶Si(OEt)2(OH)2+2EtOH{\displaystyle {\ce {Si(OEt)4 + 2H2O -> Si(OEt)2(OH)2 + 2EtOH}}}

La reacción produce etanol y una mezcla de etoxisilanoles ( como Si(OEt)3 OH,Si(OEt)2 (OH)2 , e inclusoSi(OH)4 ), que luego puedecondensarsecon TEOS u otro silanol con pérdida de alcohol o agua: [ 25 ]

2Si(OEt)3OH⟶(EtO)3Si−O−Si(OEt)3+H2O{\displaystyle {\ce {2Si(OEt)3OH -> (EtO)3Si-O-Si(OEt)3 + H2O}}}
Si(OEt)3OH+Si(OEt)4⟶(EtO)3Si−O−Si(OEt)3+EtOH{\displaystyle {\ce {Si(OEt)3OH + Si(OEt)4 -> (EtO)3Si-O-Si(OEt)3 + EtOH}}}
Si(OEt)3OH+Si(OEt)2(OH)2⟶(EtO)3Si−O−Si(OEt)2OH+H2O{\displaystyle {\ce {Si(OEt)3OH + Si(OEt)2(OH)2 -> (EtO)3Si-O-Si(OEt)2OH + H2O}}}

La hidrólisis posterior de los grupos etoxi y la condensación subsiguiente dan lugar a la reticulación . Es un proceso de un solo paso, ya que las reacciones de hidrólisis y condensación ocurren simultáneamente en un único recipiente de reacción. [ 1 ]

El proceso produce partículas microscópicas de sílice coloidal con diámetros que van desde 50 hasta 2000 nm ; los tamaños de las partículas son bastante uniformes y la distribución está determinada por la elección de condiciones como las concentraciones de reactivos , los catalizadores y la temperatura. [ 2 ] Se forman partículas más grandes cuando aumentan las concentraciones de agua y amoníaco, pero con un consiguiente ensanchamiento de la distribución del tamaño de las partículas. [ 26 ] La concentración inicial de TEOS es inversamente proporcional al tamaño de las partículas resultantes; por lo tanto, concentraciones más altas en promedio conducen a partículas más pequeñas debido al mayor número de sitios de nucleación , pero con una mayor dispersión de tamaños. Pueden resultar partículas con formas irregulares cuando la concentración inicial del precursor es demasiado alta. [ 26 ] El proceso depende de la temperatura, y el enfriamiento (y por lo tanto velocidades de reacción más lentas ) conduce a un aumento monótono en el tamaño promedio de las partículas, pero el control sobre la distribución del tamaño no se puede mantener a temperaturas demasiado bajas. [ 2 ] 

Proceso de dos pasos

En 1999, Cédric Boissière y su equipo desarrollaron un proceso de dos etapas en el que la hidrólisis a pH bajo (1-4  )  se completa antes de que la reacción de condensación se inicie mediante la adición de fluoruro de sodio (NaF). [ 7 ] El procedimiento de dos etapas incluye la adición de un surfactante no iónico como plantilla para producir finalmente partículas de sílice mesoporosa . [ 8 ] La principal ventaja de secuenciar las reacciones de hidrólisis y condensación es la capacidad de asegurar la homogeneidad completa de la mezcla de surfactante y precursor TEOS. En consecuencia, el diámetro y la forma de las partículas del producto, así como el tamaño de poro, están determinados únicamente por la cinética de la reacción y la cantidad de fluoruro de sodio introducida; niveles relativos de fluoruro más altos producen un mayor número de sitios de nucleación y, por lo tanto, partículas más pequeñas. [ 7 ] El desacoplamiento del proceso de hidrólisis y condensación proporciona un nivel de control del producto sustancialmente superior al que proporciona el proceso de Stöber de una sola etapa, con el tamaño de partícula controlado casi por completo por la relación fluoruro de sodio/TEOS. [ 7 ]

El proceso de Stöber de dos pasos comienza con una mezcla de TEOS, agua, alcohol y un surfactante no iónico, al que se añade ácido clorhídrico para producir una microemulsión . [ 9 ] Esta solución se deja reposar hasta que la hidrólisis se complete, de forma similar al proceso de Stöber de un solo paso, pero con el ácido clorhídrico sustituyendo al amoníaco como catalizador. Se añade fluoruro de sodio a la solución homogénea resultante, iniciando la reacción de condensación al actuar como núcleo de nucleación. [ 7 ] Las partículas de sílice se recogen por filtración y se calcinan para eliminar el surfactante no iónico mediante combustión, obteniéndose así el producto de sílice mesoporosa.

La selección de las condiciones del proceso permite controlar el tamaño de los poros, el diámetro de las partículas y su distribución, como en el caso del método de un solo paso. [ 8 ] La porosidad en el proceso modificado se puede controlar mediante la introducción de un agente hinchante, la elección de la temperatura y la cantidad de catalizador de fluoruro de sodio añadido. Un agente hinchante (como el mesitileno ) provoca aumentos de volumen y, por lo tanto, de tamaño de poro, a menudo por absorción de disolvente , pero está limitado por la solubilidad del agente en el sistema. [ 9 ] El tamaño de poro varía directamente con la temperatura, [ 7 ] limitado por el punto de turbidez inferior del surfactante y el punto de ebullición del agua. La concentración de fluoruro de sodio produce cambios directos pero no lineales en la porosidad, y el efecto disminuye a medida que la concentración de fluoruro añadido tiende a un límite superior. [ 27 ]

Cinética

El modelo de LaMer para la cinética de la formación de hidrosoles [ 5 ] es ampliamente aplicable para la producción de sistemas monodispersos, [ 28 ] y originalmente se hipotetizó que el proceso de Stöber seguía este modelo de adición de monómeros . [ 6 ] Este modelo incluye una explosión rápida de nucleación que forma todos los sitios de crecimiento de partículas, luego procede con la hidrólisis como paso limitante de la velocidad para la condensación de monómeros de trietilsilanol a los sitios de nucleación. [ 29 ] La producción de tamaños de partículas monodispersos se atribuye a la adición de monómeros que ocurre a una velocidad más lenta en partículas más grandes como consecuencia de la transferencia de masa limitada por difusión de TEOS. [ 30 ] Sin embargo, la evidencia experimental demuestra que la concentración de TEOS hidrolizado permanece por encima de la requerida para la nucleación hasta tarde en la reacción, y la introducción de núcleos de crecimiento sembrados no coincide con la cinética de un proceso de adición de monómeros. En consecuencia, el modelo de LaMer ha sido rechazado en favor de un modelo cinético basado en el crecimiento a través de la agregación de partículas . [ 4 ]

Bajo un modelo basado en agregación, los sitios de nucleación se generan y absorben continuamente donde la fusión conduce al crecimiento de partículas. [ 31 ] La generación de los sitios de nucleación y la energía de interacción entre las partículas que se fusionan determinan la cinética general de la reacción. [ 32 ] La generación de los sitios de nucleación sigue la siguiente ecuación: [ 31 ]

J=gramos(mi−k1t−mi−k2t){\displaystyle J=g_{s}(e^{-k_{1}t}-e^{-k_{2}t})}

donde J es la velocidad de nucleación, k 1 y k 2 son constantes de velocidad basadas en las concentraciones de H 2 O y NH 3 y g s es el factor de normalización basado en la cantidad de precursor de sílice. Ajustar las proporciones de concentración de estos compuestos influye directamente en la velocidad a la que se producen los sitios de nucleación. [ 31 ]

La fusión de los sitios de nucleación entre partículas está influenciada por sus energías de interacción. La energía de interacción total depende de tres fuerzas: la repulsión electrostática de cargas iguales, la atracción de van  der  Waals entre partículas y los efectos de la solvatación . [ 32 ] Estas energías de interacción (ecuaciones a continuación) describen el proceso de agregación de partículas y demuestran por qué el proceso de Stöber produce partículas de tamaño uniforme.

VT=Vvdw+Velectricidad+Vresolver{\displaystyle V_{T}=V_{\text{vdw}}+V_{\text{elec}}+V_{\text{solv}}}

Las fuerzas de atracción de van der Waals se rigen por la siguiente ecuación: [ 32 ]

Vvdw=−AH6[2a1a2R2−(a1+a2)2+2a1a2R2−(a1−a2)2+ln⁡R2−(a1+a2)2R2−(a1−a2)2]{\displaystyle V_{\text{vdw}}=-{\frac {A_{\text{H}}}{6}}\left[{\frac {2a_{1}a_{2}}{R^{2}-(a_{1}+a_{2})^{2}}}+{\frac {2a_{1}a_{2}}{R^{2}-(a_{1}-a_{2})^{2}}}+\ln {\frac {R^{2}-(a_{1}+a_{2})^{2}}{R^{2}-(a_{1}-a_{2})^{2}}}\right]}

donde A H es la constante de Hamaker , R es la distancia entre los centros de las dos partículas y a 1 , a 2 son los radios de las dos partículas. Para la fuerza de repulsión electrostática la ecuación es la siguiente: [ 32 ]

Velectricidad=4πεa1a2Y1Y2(kBTmi)2mi−κincógnitaincógnita+a1+a2{\displaystyle V_{\text{elec}}=4\pi \varepsilon a_{1}a_{2}Y_{1}Y_{2}\left({\frac {k_{\text{B}}T}{e}}\right)^{2}{\frac {e^{-\kappa x}}{x+a_{1}+a_{2}}}}   dónde   Yi=8tanh⁡miφ04kBT1+1−2κai+1(κai+1)2tanh2⁡miφ04kBT{\displaystyle Y_{i}={\frac {8\tanh {\frac {e\varphi _ {0}}{4k_{\text{B}}T}}}{1+{\sqrt {1-{\frac {2\kappa a_{i}+1}{(\kappa a_{i}+1)^{2}}}\tanh ^{2}{\frac {e\varphi _{0}}{4k_{\text{B}}T}}}}}}}

Donde ε es la constante dieléctrica del medio, k B es la constante de Boltzmann , e es la carga elemental , T es la temperatura absoluta , κ es la longitud de Debye inversa para un electrolito 1:1, x es la distancia (variable) entre las partículas y φ 0 es el potencial superficial. El componente final de la energía de interacción total es la repulsión de solvatación que es la siguiente: [ 32 ]

Vresolver=πAsL[2a1a2a1+a2]mi−(R−a1−a2)L{\displaystyle V_{\text{solv}}=\pi A_{\text{s}}L\left[{\frac {2a_{1}a_{2}}{a_{1}+a_{2}}}\right]e^{\frac {-(R-a_{1}-a_{2})}{L}}}

donde A s es el factor preexponencial (1,5 × 10 −3 J⋅m −2 ) y L es la longitud de desintegración (1 × 10 −9 m).      

Este modelo de agregación de crecimiento controlado concuerda con las observaciones experimentales obtenidas mediante técnicas de dispersión de rayos X de ángulo pequeño [ 33 ] y predice con precisión el tamaño de las partículas en función de las condiciones iniciales. Además, los datos experimentales de técnicas como el análisis de microgravedad [ 34 ] y el análisis de pH variable [ 35 ] coinciden con las predicciones del modelo de crecimiento de agregados.

Variaciones morfológicas

Mediante el proceso de Stöber, se pueden preparar diversos motivos estructurales y compositivos añadiendo compuestos químicos a la mezcla de reacción . Estos aditivos pueden interactuar con la sílice por medios químicos y/o físicos , ya sea durante o después de la reacción, lo que provoca cambios sustanciales en la morfología de las partículas de sílice.

sílice mesoporosa

Imagen TEM de una nanopartícula de sílice mesoporosa

El proceso de Stöber de un solo paso puede modificarse para fabricar sílice porosa añadiendo un surfactante como plantilla a la mezcla de reacción y calcinando las partículas resultantes. [ 36 ] Entre los surfactantes utilizados se incluyen el bromuro de cetrimonio , [ 37 ] el cloruro de cetiltrimetilamonio , [ 38 ] y el glicerol . [ 39 ] El surfactante forma micelas , pequeñas esferas casi esféricas con un interior hidrofóbico y una superficie hidrofílica, alrededor de las cuales crece la red de sílice, produciendo partículas con canales llenos de surfactante y disolvente. [ 40 ] La calcinación del sólido conlleva la eliminación de las moléculas de surfactante y disolvente por combustión y/o evaporación, dejando huecos de mesoporos en toda la estructura, como se observa en la ilustración de la derecha. [ 36 ] [ 40 ]

Variar la concentración del surfactante permite controlar el diámetro y el volumen de los poros, y por lo tanto, la superficie del material del producto. [ 37 ] Aumentar la cantidad de surfactante conlleva un aumento del volumen total de poros y, por consiguiente, de la superficie de las partículas, pero los diámetros de los poros individuales permanecen inalterados. [ 38 ] Modificar el diámetro de los poros se puede lograr variando la cantidad de amoníaco utilizada en relación con la concentración del surfactante; un mayor amoníaco produce poros con diámetros mayores, pero con una disminución correspondiente del volumen total de poros y de la superficie de las partículas. [ 37 ] El tiempo de reacción también influye en la porosidad: tiempos de reacción más prolongados conllevan un aumento del volumen total de poros y de la superficie de las partículas. Tiempos de reacción más largos también conllevan un aumento del tamaño total de las partículas de sílice y una disminución relacionada de la uniformidad de la distribución del tamaño. [ 37 ]

Monolito macroporoso

La adición de polietilenglicol (PEG) al proceso provoca que las partículas de sílice se agreguen formando un bloque continuo macroporoso , lo que permite obtener una morfología monolítica. [ 10 ] Se requieren polímeros de PEG con grupos terminales alilo o sililo con un peso molecular superior a 2000  g⋅mol −1 . El proceso de Stöber se inicia en condiciones de pH neutro, de modo que los polímeros de PEG se congreguen alrededor de la superficie de las partículas en crecimiento, proporcionando estabilización. Una vez que los agregados alcanzan un tamaño suficiente, las partículas estabilizadas con PEG entran en contacto y se fusionan irreversiblemente mediante la "agregación adhesiva" entre las cadenas de PEG. [ 10 ] Este proceso continúa hasta que se produce la floculación completa de todas las partículas y se forma el monolito, momento en el que este puede calcinarse y eliminarse el PEG, obteniéndose así un monolito de sílice macroporoso. Tanto el tamaño de las partículas como la agregación adhesiva pueden controlarse variando el peso molecular y la concentración de PEG.

Partículas de núcleo-envoltura

Varios aditivos, incluidos el poliestireno , [ 11 ] el cicleno , [ 12 ] y las poliaminas , [ 13 ] en el proceso de Stöber permiten la creación de partículas de sílice con núcleo y capa externa. Se han descrito dos configuraciones de la morfología núcleo-capa externa. Una es un núcleo de sílice con una capa externa de un material alternativo como el poliestireno. La segunda es una capa de sílice con un núcleo morfológicamente diferente, como una poliamina.

La creación de las partículas compuestas de núcleo de poliestireno/sílice comienza con la creación de los núcleos de sílice mediante el proceso Stöber de un solo paso. Una vez formadas, las partículas se tratan con ácido oleico , que se propone que reaccione con los grupos silanol de la superficie . [ 11 ] El estireno se polimeriza alrededor de los núcleos de sílice modificados con ácidos grasos. Debido a la distribución de tamaño de los núcleos de sílice, el estireno se polimeriza uniformemente a su alrededor, lo que da como resultado partículas compuestas de tamaño similar. [ 11 ]

Las partículas de sílice con recubrimiento creadas con cicleno y otros ligandos de poliamina se crean de una manera muy diferente. Las poliaminas se añaden a la reacción de Stöber en los pasos iniciales junto con el precursor de TEOS. [ 13 ] Estos ligandos interactúan con el precursor de TEOS, lo que resulta en un aumento de la velocidad de hidrólisis; sin embargo, como resultado, se incorporan a los coloides de sílice resultantes . [ 12 ] Los ligandos tienen varios sitios de nitrógeno que contienen pares de electrones no enlazantes que interactúan con los grupos terminales hidrolizados del TEOS. En consecuencia, la sílice se condensa alrededor de los ligandos encapsulándolos. Posteriormente, las cápsulas de sílice/ligando se adhieren entre sí para crear partículas más grandes. Una vez que todo el ligando ha sido consumido por la reacción, el TEOS restante se agrega alrededor del exterior de las nanopartículas de sílice/ligando, creando una capa externa sólida de sílice. [ 12 ] La partícula resultante tiene una capa sólida de sílice y un núcleo interno de ligandos envueltos en sílice. El tamaño de los núcleos y las capas de las partículas se puede controlar mediante la selección de la forma de los ligandos junto con las concentraciones iniciales añadidas a la reacción. [ 13 ]

esferas de carbono

Se ha utilizado un proceso similar al de Stöber para producir esferas de carbono monodispersas empleando resina de resorcinol - formaldehído en lugar de un precursor de sílice. [ 14 ] El proceso modificado permite la producción de esferas de carbono con superficies lisas y un diámetro que oscila entre 200 y 1000  nm. [ 14 ] A diferencia del proceso de Stöber basado en sílice, esta reacción se completa a pH neutro y el amoníaco desempeña un papel en la estabilización de las partículas de carbono individuales al prevenir la autoadhesión y la agregación, además de actuar como catalizador. [ 41 ]

Ventajas y aplicaciones

Un bloque de aerogel , un "humo azul sólido" [ 42 ] que al tacto se siente como poliestireno expandido muy ligero.

Una de las principales ventajas del proceso de Stöber es que permite obtener partículas de sílice casi monodispersas [ 16 ] , lo que lo convierte en un modelo ideal para el estudio de fenómenos coloidales [ 15 ] . Fue un descubrimiento pionero en su momento, al permitir la síntesis de partículas esféricas monodispersas de sílice de tamaño controlado, y en 2015 sigue siendo el método de química húmeda más utilizado para la obtención de nanopartículas de sílice [ 3 ] .

El proceso proporciona un método conveniente para preparar nanopartículas de sílice para aplicaciones que incluyen la administración intracelular de fármacos [ 17 ] y la biodetección [ 18 ] . Las nanopartículas de sílice mesoporosa preparadas mediante procesos de Stöber modificados tienen aplicaciones en el campo de la catálisis [ 19 ] y la cromatografía líquida [ 20 ] . Además de la monodispersión, estos materiales tienen áreas superficiales muy grandes , así como estructuras de poros uniformes, ajustables y altamente ordenadas [ 20 ] , lo que hace que la sílice mesoporosa sea excepcionalmente atractiva para estas aplicaciones.

Una partícula de meteoroide de 10 μm capturada por la nave espacial EURECA lanzada por STS-46 en un bloque de aerogel [ 23 ]. 
Este aerogel de sílice de la NASA [ 23 ] es un aislante térmico que aísla lo suficiente como para proteger los crayones de la llama de un mechero Bunsen . [ 43 ]

Aerogeles

Los aerogeles son materiales ultraligeros altamente porosos en los que el componente líquido de un gel ha sido reemplazado por un gas , [ 44 ] y son notables por ser sólidos que son aislantes térmicos extremadamente efectivos [ 43 ] [ 45 ] con muy baja densidad . [ 46 ] Los aerogeles se pueden preparar de diversas maneras, y aunque la mayoría se han basado en sílice, [ 45 ] se han reportado y explorado materiales basados ​​en zirconia , titania , celulosa , poliuretano y sistemas de resorcinol - formaldehído , entre otros. [ 47 ] La ​​principal desventaja de un aerogel a base de sílice es su fragilidad, aunque la NASA los ha utilizado para el aislamiento en los rovers de Marte , [ 48 ] el Mars Pathfinder y se han utilizado comercialmente para mantas aislantes y entre paneles de vidrio para paneles translúcidos de iluminación diurna. [ 45 ] Los geles particulados preparados por el proceso de Stöber pueden deshidratarse rápidamente para producir aerogeles de sílice altamente efectivos, así como xerogeles . [ 15 ] El paso clave es el uso de extracción con fluido supercrítico para eliminar el agua del gel manteniendo la estructura del gel, que normalmente se hace con dióxido de carbono supercrítico , [ 45 ] como lo hace la NASA. [ 23 ] Los aerogeles resultantes son aislantes térmicos muy efectivos debido a su alta porosidad con poros muy pequeños (en el rango de nanómetros ). La conducción de calor a través de la fase gaseosa es mala, y como la estructura inhibe en gran medida el movimiento de las moléculas de aire a través de la estructura, la transferencia de calor a través del material es mala, [ 45 ] como puede verse en la imagen de la derecha donde el calor de un mechero Bunsen se transfiere tan mal que los crayones que descansan sobre el aerogel no se derriten. [ 43 ] Debido a su baja densidad, los aerogeles también se han utilizado para capturar partículas de polvo interestelar con cambios mínimos de calor al frenarlas (para evitar cambios inducidos por el calor en las partículas) como parte de la misión Stardust.. [ 23 ]

Un método para producir un aerogel de sílice utiliza un proceso Stöber modificado y secado supercrítico . El producto aparece translúcido con un tinte azul como consecuencia de la dispersión de Rayleigh ; cuando se coloca frente a una fuente de luz, la luz transmitida se vuelve amarillenta porque la azul se ha dispersado. [ 22 ] Este aerogel tiene un área superficial de 700  m 2 ⋅g −1 y una densidad de 0,040  g⋅cm −3 ; [ 22 ] en contraste, la densidad del aire es 0,0012  g⋅cm −3 (a 15  °C y 1 atm ). 

Los aerogeles de sílice tuvieron 15  entradas por propiedades de materiales en los Récords Mundiales Guinness en 2011, incluyendo las de mejor aislante y sólido de menor densidad, aunque el aerografito se llevó este último título en 2012. [ 49 ]

El aerografeno , con una densidad de solo el 13 % de la del aire a temperatura ambiente y menos denso que el gas helio , se convirtió en el sólido de menor densidad desarrollado hasta entonces en 2013. [ 50 ] [ 51 ] Se han aplicado métodos similares a los de Stöber en la preparación de aerogeles en sistemas que no son de sílice. [ 21 ] La NASA ha desarrollado aerogeles de sílice con un recubrimiento de polímero para reforzar la estructura, [ 48 ] produciendo un material aproximadamente dos órdenes de magnitud más resistente para la misma densidad, y también aerogeles de polímero, que son flexibles y pueden formarse en una película delgada flexible. [ 45 ]

sílice coloidal

La sílice coloidal se utiliza ampliamente en la fundición de metales.

Ópalos sintéticos

El proceso de Stöber puede utilizarse para producir partículas esféricas para el crecimiento de mineraloides de ópalo brillantes. [ a ] ​​[ 52 ] [ 53 ]

Notas

  1. ↑ Al menos dos investigaciones han informado.

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 Stöber, Werner; Fink, Arthur; Bohn, Ernst (enero de 1968). "Crecimiento controlado de esferas de sílice monodispersas en el rango de tamaño micrométrico". Journal of Colloid and Interface Science . 26 (1): 62– 69. Bibcode : 1968JCIS...26...62S . doi : 10.1016/0021-9797(68)90272-5 .
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