Przejście od roztworu do gazu: problem perkolacji w beczce

Z roztworu cząsteczek do sól glikoelowej

Roztwór (sol) to stabilne zawiesinę koloidalna małych sólowych lub polimerowych cząsteczek w cieczy — cząsteczki są zbyt małe, aby opadały i zbyt rozcieńczone, aby się dotykały na długotrwałe sposobie. Sól glikoelowa (gel) jest taka struktura, która powstaje, gdy wystarczająco dużo tych cząsteczek lub rosnących łańcuchów polimerowych połączy się w jedno ciągły, przekroczące próbek sieć z cieczą zamkniętą w jej porach. Przejście fazowe sol-gel to moment, gdy po raz pierwszy powstaje nieskończone i połączona sieć, a jest to przykład klasykowy przejścia perkolacyjnego — tych samych matematycznych zasobów, które opisują chwilę, w której losowa sieć rezystorów przeprowadza prąd, lub chwilę, gdy pożar lasu przekroczuje cały las.

Próg przekraczania

Modeluj rosnące sieć jako powiązania dodawane losowo między stanowiskami, z użyciem ułamka p procent możliwych powiązań. Poniżej krytycznego ułamka p_c, sieć istnieje tylko w postaci izolowanych skończonych klasterów — choćby najbardziej gęsta, nadal jest to lepkie ciecz. Exact at p_c, i tylko exact at p_c, pojawi się pierwszy klaster, który przekroczy całe próbek; sol zaczyna gelać. Ten próg jest powszechną własnością geometryczną/statystyczną połączenia sieci, o wiele mniej zależnym od chemicznych procesów powiązujących, dlatego te same matematyki przekraczania przepływu opisują przemianę sol-gel w sirokcie szkieletowym, ustawienie gelatyny, obróbke epoksydowej i nawet vulkanizację gumy.

Unikalne prawa potęg blisko punktu glazu

Co sprawia, że teoria przepływu jest prawdziwie prognozowalna, a nie tylko opisowa, to to, że wielokrotne mierniki właściwości są funkcjami potęgowymi w odległości od prógowej (p − p_c), każda z unikalnymi wykładnikami krytycznymi zależnymi tylko od wymiarowości systemu — nie od konkretnych chemicznych składników:

G ~ (p - p_c)^t moduł skrętu glazu, t ~ 1.9 - 2.0 η ~ (p_c - p)^(-s) viskość roztworu, zbliżając się do p_c z przeciwnego kierunku Mw ~ |p - p_c|^(-γ) średnia masowa zanurzona molarna klasterów Dla p < p_c moduł jest dokładnie równy zero — nie można skręcać cieczy — i przekształca się ciągle, gdy p przerasta p_c, rosnąc jako (p − p_c)^t z t pomiarowym blisko 1.9 w trzech wymiarach w wielu różnych chemicznych systemach, co jest silnym dowodem na to, że gluzowanie naprawdę jest regulowane tymi samymi unikalnymi statystykami jak inne przejścia przepływu, a nie przez specyficzne chemiczne składniki żadnego jednego glazu.

G  ~ (p - p_c)^t          gel (shear) modulus,       t  ~ 1.9 - 2.0
eta ~ (p_c - p)^(-s)      sol viscosity, approaching p_c from below
Mw ~ |p - p_c|^(-gamma)   weight-average molecular weight of clusters

Kontrola chemiczna: sol-gel siarkowodnica jako klasyczny przykład

W przetwarzaniu inorganicznym sol–gel, sieć w typowym przypadku rosnie poprzez hidrolizę metalu alkowidu (powszechnie TEOS, tetraetyloksysyryt, dla siarkowodnicy) zastępowana następnie kondensacją, która łączy grupy Si–OH w Si–O–Si i wydzielanie wody:

hidroliza: Si(OR)4 + H2O -> Si(OR)3(OH) + ROH kondensacja: Si-OH + HO-Si -> Si-O-Si + H2O Katalizator (kwas lub base), stosunek wody do alkowidu oraz pH przesuwają stopnie hidrolizy względem kondensacji, co kontroluje strukturę rosnących klastrow: czy są one rozrzutne, gałęźce i słabo zagnieżdżone (charakterystyczne dla katalizu base, dając gotowe cząsteczkowe gely) lub gęste i skompaktowane (charakterystyczne dla katalizu kwasowego, dając gely polimeryczne) — co w konsekwencji kontroluje porowitość, powierzchnię i masywność mechaniczną końcowego gely przed osiągnięciem własnego próg perkolacji.

hydrolysis:    Si(OR)4 + H2O  ->  Si(OR)3(OH) + ROH
condensation:  Si-OH + HO-Si  ->  Si-O-Si + H2O

Dlaczego to ważne poza biurkiem badawczym

Przetwarzanie sol-gel jest metoda, jaką są wykorzystywane do produkcji wielu pokryć optycznych, aerogeli i przyspieszonych ceramicznych materiałów, ponieważ pozwala na tworzenie sieci sódowej przy temperaturze pomieszczeniowej z cieczy, która może być włożona, obracana lub naciągnięta do dowolnej formy przed jej gelifikacją — coś niemożliwego dla materiałów, które stają się sóde tylko po rozgrzaniu i chłodzeniu. Aerogel, przypadek ekstremalny, to sieć sol-gel, w której ciecz porenowa jest usunięta pod warunkami nadciśnieniowymi, tak że delikatna skóra sódowa nigdy nie kraszliwa pod ciśnieniem capillary nie klesnie, pozostawiając jedno z najmniej masowych sód znanych.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Sol-Gel Phase Transition i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.