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lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 11
La tecnica sol-gelLa tecnica sol-gel
Guide d’ondaGuide d’onda
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 22
La guida d’ondaLa guida d’onda
Struttura lineare
conduce fasci di luce in un percorso compreso tra due estremità
consentendone una propagazione guidata
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La guida d’ondaLa guida d’onda
Strato Sol-Gel
Si
SiO2
SiO2 /TMSPN
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Lo strato sol-gelLo strato sol-gel
Strato con indice di rifrazione maggiore rispetto ad aria e Strato con indice di rifrazione maggiore rispetto ad aria e SiOSiO22..
Permette la riflessione totale e quindi la conduzione della Permette la riflessione totale e quindi la conduzione della luceluce
Formato da una parte organica fotopolimerizzabile Formato da una parte organica fotopolimerizzabile (TMSPM) e da una parte inorganica TiO(TMSPM) e da una parte inorganica TiO22 che garantisce che garantisce l’elevato indice di rifrazione.l’elevato indice di rifrazione.
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 55
La chimica del carbonioLa chimica del carbonio
CHCH4 4 metanometano
CHCH33CHCH3 3
CHCH33CHCH22CHCH33
HCHC2 2 CHCH2 2
etanoetano
propanopropano
etileneetilene
• elemento del IV gruppoelemento del IV gruppo come il SILICIO come il SILICIO • ha 4 elettroni di valenza, ha 4 elettroni di valenza, • ibridizzaibridizza acquisendo la capacità di formare 4 legami covalenti puri identici fra di acquisendo la capacità di formare 4 legami covalenti puri identici fra di loro e direzionati ai vertici di un loro e direzionati ai vertici di un tetraedrotetraedro, , • forma catene C---C lineari, ramificate o cicliche, alla base di molecole di grande forma catene C---C lineari, ramificate o cicliche, alla base di molecole di grande complessità formate da CARBONIO e IDROGENO: gli complessità formate da CARBONIO e IDROGENO: gli IDROCARBURIIDROCARBURI
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 66
IBRIDAZIONE:IBRIDAZIONE:
C
TETRAEDRO:TETRAEDRO:
IDROCARBURI:IDROCARBURI:
catena lineare
C C C C C C
C
Ccatena ramificata
catena ciclica
C
I 4 elettroni del carbonio si trovano su orbitali diversi: del carbonio si trovano su orbitali diversi: 2 accoppiati sull’orbitale S e due spaiati su orbitali di 2 accoppiati sull’orbitale S e due spaiati su orbitali di tipo P.tipo P.L’ ibridazione è il riposizionamento degli elettroni su L’ ibridazione è il riposizionamento degli elettroni su 4 orbitali identici fra loro chiamati SP34 orbitali identici fra loro chiamati SP3
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I composti organici ternari, formati da C, H e O hanno caratteristiche I composti organici ternari, formati da C, H e O hanno caratteristiche molto diverse tra loro e si possono classificare attraverso il proprio molto diverse tra loro e si possono classificare attraverso il proprio gruppo funzionalegruppo funzionale
Gruppo ossidrileossidrile caratteristico degli ALCOLICHCH22CHCH22OHOHRR OHOH
Gruppo carbossilicocarbossilico caratteristico degli ACIDI
Gruppo caratteristico degli ETERI
RR COOHCOOH
CHCH33COOHCOOH
RR OO RRCHCH33CHCH22 OO CHCH22CHCH33
I gruppi funzionaliI gruppi funzionali
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 88
PolimerizzazionePolimerizzazioneUna delle reazioni più importanti dei composti organici:Una delle reazioni più importanti dei composti organici:
unione di molte molecole piccole per formare molecole lunghissimeunione di molte molecole piccole per formare molecole lunghissime
HCHC2 2 CHCH2 2
Il composto costituito da queste macromolecole si chiama Il composto costituito da queste macromolecole si chiama POLIMERO POLIMERO
ed il composto semplice che ad esso da origine ed il composto semplice che ad esso da origine MONOMEROMONOMERO
POLICONDENSAZIONE POLICONDENSAZIONE
per ADDIZIONEper ADDIZIONE
CHCH2 2 CHCH2 2 CHCH2 2 CHCH2 2 nn
NHNH RCOOHRCOOH HHHH22NRCONRCO OHOH ++ ++2
etilene polietilene
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grazie a questo legame si grazie a questo legame si formano con facilità catene più formano con facilità catene più stabili: la Silicestabili: la Silice
O Si O
O Si O
Si Si Si
Si O Si O Si
Le fibre ottiche hanno come struttura di base materiali vetrosi !!!!.Le fibre ottiche hanno come struttura di base materiali vetrosi !!!!.
La chimica del SilicioLa chimica del SilicioIl SILICIO, anche se appartiene allo Il SILICIO, anche se appartiene allo stesso gruppo del carbonio, forma stesso gruppo del carbonio, forma legami meno stabili che possono legami meno stabili che possono essere ossidati;essere ossidati;
In forma cristallina è il quarzo, mentre, quando è disordinato In forma cristallina è il quarzo, mentre, quando è disordinato (amorfo), costituisce la componente base dei (amorfo), costituisce la componente base dei VETRIVETRI
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 1010
VETROVETRO
• Sostanza amorfa, omogenea, trasparente, allo stato solido ma non Sostanza amorfa, omogenea, trasparente, allo stato solido ma non cristallino liquido ad elevata viscosità cristallino liquido ad elevata viscosità
•Bassi valori di Bassi valori di elasticitàelasticità con conseguente notevole fragilità. con conseguente notevole fragilità.
• ElevataElevata trasparenzatrasparenza nella regione spettrale del visibile e nella regione spettrale del visibile e durezzadurezza (5-7 (5-7 nella scala di Mohs).nella scala di Mohs).
• ResistenzaResistenza agli agenti chimici agli agenti chimici con l'esclusione dell'acido fluoridrico con l'esclusione dell'acido fluoridrico che aggredisce la silice.che aggredisce la silice.
• Indice di rifrazioneIndice di rifrazione 1,5-1,81,5-1,8 con specifici valori per ogni tipo di vetro.con specifici valori per ogni tipo di vetro.
• Riscaldamenti uniformi e graduali .Riscaldamenti uniformi e graduali .
• Caratteristiche di bassa conducibilità elettrica e termica.Caratteristiche di bassa conducibilità elettrica e termica.
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 1111
La trasparenzaLa trasparenza
Una delle caratteristiche più evidenti è la trasparenza alla luce visibile. Una delle caratteristiche più evidenti è la trasparenza alla luce visibile.
La trasparenza è dovuta all’assenza di stati di transizione elettronici La trasparenza è dovuta all’assenza di stati di transizione elettronici nell’intervallo energetico della luce visibile. nell’intervallo energetico della luce visibile.
Il vetro comune a differenza del silice puro non è trasparente alle Il vetro comune a differenza del silice puro non è trasparente alle lunghezze d’onda dell’ultravioletto (< 400 nm) a causa della presenza lunghezze d’onda dell’ultravioletto (< 400 nm) a causa della presenza di Na.di Na.
Il vetro però può essere prodotto in forma così pura da permettere il Il vetro però può essere prodotto in forma così pura da permettere il passaggio della luce nella regione dell’infrarosso per centinaia di Km passaggio della luce nella regione dell’infrarosso per centinaia di Km nelle fibre ottiche.nelle fibre ottiche.
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 1212
PROCESSO SOL-GELPROCESSO SOL-GEL
E’ possibile produrre vetri anche con semplici reazioni chimiche a bassa temperatura
Si parte da un precursore. Il più semplice è il TMOS
Si (OCH3)4
TetraMetilOrtoSilicato
Più in generale:
dove M è il metallo
n è la valenza
OR è l’alcossido che funge da ligando
M (OR)n
Alcossidi di metallo
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 1313
PROCESSO SOL-GELPROCESSO SOL-GEL
Il metodo sol-gel prevede il passaggio del sistema attraverso stati COLLOIDALI. Un colloide è una sostanza che si trova in uno stato finemente disperso, intermedio tra la soluzione omogenea e, la dispersione eterogenea.
La differenza con le soluzioni consiste nel fatto che queste ultime sono sistemi omogenei contenenti ioni o molecole di soluto disperse in un solvente libere di muoversi le une rispetto alle altre.
I sistemi colloidali, invece, sono sistemi eterogenei, che si presentano torbidi
Molte sostanze a noi familiari sono colloidi, come per esempio il burro, la maionese, l'asfalto, la colla, la nebbia ed il fumo.
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 1414
Le trasformazioniLe trasformazioni
Gelificazione
Aggregazione
Essiccamento
Trattamento termico ad elevata temperatura
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La chimica del metodo La chimica del metodo SOL-GELSOL-GEL
Sintesi di soluzioni colloidali Sintesi di soluzioni colloidali SOLSOL
Precursori per la formazione di un Precursori per la formazione di un GELGEL
IDROLISIIDROLISI
CONDENSAZIONECONDENSAZIONE
ESSICCAMENTOESSICCAMENTO
Formazione di una sospensione colloidale di particelle solide nel liquido: il SOL
Processo di evoluzione in un GEL
Trattamenti termici di trasformazione in un OSSIDO CERAMICO
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PROCESSO SOL-GELPROCESSO SOL-GELIdrolisiIdrolisi
I precursori reagiscono con l’acqua con una reazione di idrolisi spontanea a temperatura ambiente
Si produce così alcool metilico CH3OH (volatile) e un gruppo silanolo SiOH (è gruppo molto reattivo)
M(OR)n + xH2O M(OH)x(OR)n-x + xROH
Si(OCH3)4 + H2O Si(OH)(OCH3)3 + CH3OH
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IdrolisiIdrolisi
Si RO + H HO
Gli alcossidi di silicio si IDROLIZZANO attraverso un attacco dell’acqua sull’atomo di silicio sia in ambiente basico che acido.
La chimica del metodo La chimica del metodo SOL-GELSOL-GEL
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La chimica del metodo SOL-La chimica del metodo SOL-GELGEL
TMOSTMOS
SiSi ++ HH HHOO
La velocità di reazione in ambiente neutro è bassa, per questo si usa la CATALISI acida o basica.
Il TMOS subisce IDROLISI secondo la seguente reazione:
33CC HH
OO
44OOOOCC HH33 CCHH33
CCHH33
AcquaAcquaSilanoloSilanolo Alcol metilicoAlcol metilico
3322
OO
HHHHHH
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PROCESSO SOL-GELPROCESSO SOL-GELCondensazioneCondensazione
I gruppi silanoli reagiscono tra di loro (e con i radicali alcolici) per condensazione
M(OH)x(OR)n-x MOn/2 + x/2 H2O + (n-x) ROH
2 Si(OH)(OCH3)3 (OCH3)3 Si-O-Si(OCH3)3 + H2O
2 Si(OH)(OCH3)3 (OCH3)2 (OH)Si-O-Si(OCH3)3 + CH3OH
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 2020
La chimica del metodo SOL-La chimica del metodo SOL-GELGEL
Polimerizzazione per condensazionePolimerizzazione per condensazione
SiSi HH ++ HHOO
I gruppi SILANOLO ottenuti tendono a formare dei legami. La reazione può avvenire secondo due meccanismi:
SiSiOO 2
attacco di un gruppo SILANOLO sul silicio di un’altra molecola con espulsione di un molecola d’acqua;
1
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La chimica del metodo SOL-La chimica del metodo SOL-GELGEL
Polimerizzazione per condensazionePolimerizzazione per condensazione
SiSi HH ++ RROO
I gruppi SILANOLO ottenuti tendono a formare dei legami. La reazione può avvenire secondo due meccanismi:
SiSiOO
oppure attacco con espulsione di un molecola di alcol in caso di un monomere parzialmente idronizzato.
2
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PrecursoriPrecursori
Precursore MW Bp(C) D(20C)(g/ml)
Si(OCH3) 4
Tetramethyl orthosilicate
152.2 121 1.02
SiO2Si(OC2H5)4
Tetraethyl orthosilicate
203.3 168 0.93
Ti(n-OC4H9) 4
Titanium(IV) butoxide
284.3 170 1.03TiO2
Zr(n-OC3H7) 4
Zirconium(IV) isopropoxide
327.6 208 1.04ZrO2
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 2323
Precursore inorganicoPrecursore inorganico
TiTi ++ HH HHOO
OO
44OOOO
OO
HHHHHH
CHCH22-CH-CH22-CH-CH3
CHCH33-CH-CH22-CH-CH22
CHCH33-CH-CH22-CH-CH22
CHCH22-CH-CH22-CH-CH33
Ti(n-OC3H7)4
Titanium(IV) propoxide
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 2424
Precursori organicoPrecursori organico
TMSPM (3-(Trimethoxysilyl)propylmethacrylate)
Si CH2CH2CH2
OCH3
OCH3
OCH3 O C C CH2
CH3
O
Mentre i gruppi alcossidici partecipano alle reazioni di idrolisi e policondensazione per formare il legame Si-O-Si,
il legame Si-C (essendo non idrolizzabile), risulta essere inerte;
la “coda” organica legata al metallo risulterà parte integrante del prodotto finale
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 2525
Polimerizzazione radicalicaPolimerizzazione radicalica
Si CH2CH2CH2
OCH3
OCH3
OCH3 O C C CH2
CH3
O
Il doppio legame sul radicale metacrilico può aprirsi dando luogo alla polimerizzazione.
O
C
Questo avviene in presenza di un elemento catalizzatore, l’IRGACURE 184, che, se “eccitato” da una radiazione ultravioletta, stimola la rottura del doppio legame e avvia il processo di polimerizzazione
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 2626
La preparazioneLa preparazione
condensazione gelificazione
SOLGEL
Soluzioneprecursori
essiccamento
(ossidi ceramici o vetri)
(sospensione colloidale)
soluzione sol-gel
alcossidi metallici(precursore fase
inorganica)
polimero(fase organica)
0 10 3020 nm
materiali ibridi organici-inorganici
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 2727
Preparazione Sol-GelPreparazione Sol-Gel
Aggiungere (A) su recipiente di (B): su agitatore per 10 minuti Aggiungere (C) e coprire con stagnola: su vasca a ultrasuoni per 10 minuti.Lasciare coperto per 16 ore. Ammessa solo luce gialla. = Soluzione finale
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 2828
Il substratoIl substratoStrato di base: silicio (coperto da uno strato di ossido di silicio di 8 μm).
Tagliate lastrina Si/SiO2 con punta diamantePulire con acqua e acetone su vasca ultrasuoniPosizionare su scatoline con stagnolaAsciugare con aria compressa
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 2929
Lo strato guidanteLo strato guidante
soluzione sol-gel
IRGACURE
Mantenere al buio !!!!
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 3030
SpinningSpinningConsiste nella rapida rotazione di una superficie (lo spinner) su cui è bloccato il substrato. Permette di ottenere uno strato estremamente sottile di soluzione che, solidificata, darà origine al film.
Attaccare per spinning con biadesivo
Posizionare a piccole gocce la soluzione finale fino a coprire tutta la superfice.
Azionare lo spinning a 5000 g/min Portare a 80°C per 30-45’
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 3131
Per finire….Per finire….
Esposizione luce UVEsposizione luce UV Sviluppo in alcool isopropilico (1-4 Sviluppo in alcool isopropilico (1-4
minuti)minuti) Postbake (120°C per 45 minuti) per Postbake (120°C per 45 minuti) per
stabilizzare la struttura e renderla stabilizzare la struttura e renderla insensibile alla luce UV.insensibile alla luce UV.
lunedì 4 Febbraio 2013lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 3232
Buon lavoro!!!!Buon lavoro!!!!