Под золь-гель технологией подразумевают обычно процесс создания геля с участием того или иного материала. Основной принцип метода весьма прост, он известен любой хозяйке, готовящей заливное или фруктовое желе. Именно эта технология с наноначинкой – серьезная перспектива для развития строительных технологий.

На первой стадии получают золь – жидкий раствор, содержащий малые частицы (1–100 нм) определенного вещества. Доля этих частиц в растворителе обычно невелика. Однако под действием химического инициатора частицы сшиваются друг с другом. В результате получается гель – желеобразное «почти твердое тело», содержащее большое количество растворителя. Перевод системы из золя в гель часто сопровождается структурообразованием – формированием упорядоченных систем частиц, обеспечивающих уникальные свойства гелей.

Золь-гель метод представляет собой яркий пример осуществления концепции, в которой система строится по принципу «снизу-вверх»: молекулы соединения образуют хорошо охарактеризованные агрегаты, которые в свою очередь служат строительными блоками или функциональными группами для организации макроструктуры вещества. Такой подход позволяет создавать структуры и материалы чрезвычайно высокой чистоты и совершенства, одновременно значительно увеличивая скорость производства по сравнению с традиционными методами структурирования «сверху-вниз».

Гели используют при производстве различных неорганических вяжущих веществ и паст, например в производстве бетона. Такие системы обладают высокой пластичностью и практически неограниченной устойчивостью. Основная идея использования золя, как добавки в бетон, состоит в создании дополнительного структурного элемента в бетонной смеси. Он представляет собой наночастицу SiO₂, которая со временем, в результате реакции с Са(ОН)₂, переходит в гидросиликат кальция и способствует сокращению количества пор диаметром более 1 нм и выше. Структура гелей обычно весьма устойчива к неоднородности состава – введение даже грубых частиц диаметром ~ 0.1 мм не приводит к фазовому разделению и коллапсу геля. Это свойство активно используют в производстве огне-упорных материалов: гель рабочего вещества наполняют крупными мезочастицами того же вещества, при этом температура спекания материала снижается.

Если гель высушить, то он превратится в тонкопористую субстанцию с упорядоченной структурой пор – ксерогель.

Материалы из ксерогеля используют в качестве теплоизолирующих и огнеупорных материалов. Сегодня существуют методы получения золь-гель методом многослойных гелевых стекол на основе модифицированного кремнезема, обладающих защитными противопожарными свойствами. Стекла предназначены для внутренних перегородок и смотровых окон дверей для предотвращения распространения пожара. Гелевые слои образуют при нагревании или прямом тепловом воздействии на стекло прочную высокопористую пену. В зависимости от количества защитных слоев сформированный стеклопакет обладает огнестойкостью и обеспечивает перепад температур между внешним и внутренним слоем до 750 °С. В зависимости от рецептуры пожаростойкие стекла сохраняют эксплуатационные свойства в интервале температур –30/+30 °С, в том числе после многократных циклов «замораживание-размораживание». Гелевые стекла оптически прозрачны до температуры –10 °С, при понижении наблюдается помутнение гелиевого слоя, однако при повышении температуры прозрачность восстанавливается. Ксерогели получили также широкое распространение при производстве теплоизолирующих материалов, уплотнителей швов и т.п.

Еще один интересный пример использования золь-гель технологий – создание устойчивых металлизированных красок на основе золота, бронзы, серебра и меди методом инкапсуляции наночастицы пигмента в абсолютно прозрачную и химически инертную оболочку из оксида кремния. Использование инновационной технологии позволит значительно повысить термическую и атмосферную устойчивость краски. Полученные краски водоразбавимы и хорошо совмести-мы с различными лакокрасочными материалами. Металлизированные пасты сочетаются с обычными колеровочными пигментными пастами, их можно смешивать между собой, что позволяет получать практически бесконечное количество цветовых оттенков.

Золь-гель технология играет важнейшую роль также в производстве различных сортов керамики: их готовят гелеобразованием золя, изготовленного из нанокристаллических порошков того или иного состава. Варьируя параметры изготовления порошков, можно добиться существенных изменений в свойствах керамики. Так, например, муллит, ценный оптический, электронный, огнеупорный и керамический материал, обладающий уникальной устойчивостью к термическим ударам и к ползучести при высоких, вплоть до предплавления, температурах. Использование нанопорошков оксидов алюминия и кремния и различных добавок снижает температуру синтеза муллита, керамика на его основе спекается быстрее и часто получается более прочной.

По материалам журнала «Российские нанотехнологии» № 1–2 2010 год: