El vidrio poroso es vidrio que incluye poros, generalmente en el rango de los nanómetros o micrómetros , comúnmente preparado mediante uno de los siguientes procesos: mediante separación de fases metaestable en vidrios de borosilicato (como en su sistema SiO 2 -B 2 O 3 -Na 2 O), seguido de extracción líquida de una de las fases formadas; [1] [2] mediante el proceso sol-gel ; o simplemente sinterizando polvo de vidrio .
Las propiedades específicas y la disponibilidad comercial del vidrio poroso lo convierten en uno de los sólidos amorfos más investigados y caracterizados . Debido a la posibilidad de modelar la microestructura , los vidrios porosos tienen un alto potencial como sistema modelo. Muestran una alta resistencia química, térmica y mecánica, que resulta de una red de sílice rígida e incompresible . Se pueden producir con alta calidad y con tamaños de poro que van desde 1 nm hasta cualquier valor deseado. Una sencilla funcionalización de la superficie interior abre un amplio campo de aplicaciones para vidrios porosos.
Otra ventaja especial de los vidrios porosos en comparación con otros materiales porosos es que pueden fabricarse no sólo en forma de polvo o granulado, sino también en piezas más grandes en casi cualquier forma y textura definida por el usuario.
En la primera mitad del siglo XX, Turner y Winks descubrieron que los vidrios de borosilicato pueden lixiviarse con ácidos. Sus investigaciones demostraron que no sólo la estabilidad química puede verse influenciada por el tratamiento térmico sino también la densidad , el índice de refracción , la expansión térmica y la viscosidad . En 1934, Nordberg y Hood [ se necesita aclaración ] descubrieron que los vidrios de borosilicato alcalino se separan en fases solubles (ricos en borato de sodio) e insolubles (ricos en sílice) si el vidrio se trata térmicamente. Mediante extracción con ácidos minerales se puede eliminar la fase soluble y queda una red de sílice porosa. Durante un proceso de sinterización después de la extracción, se genera un vidrio de sílice , que tiene propiedades cercanas a las del vidrio de cuarzo . La fabricación de estos vidrios con alto contenido de sílice se conoce como proceso VYCOR .
En la literatura científica, el vidrio poroso es un material poroso que contiene aproximadamente un 96% de sílice , que se produce mediante una extracción ácida o una extracción ácida y alcalina combinada, respectivamente, de vidrios de borosilicato alcalino con fases separadas , y presenta una microestructura porosa interconectada tridimensional. Para los vidrios porosos disponibles comercialmente, se utilizan los términos vidrio poroso VYCOR (PVG) y vidrio de poro controlado (CPG). La estructura porosa está formada por un sistema de canales sintéticos y tiene una superficie específica de 10 a 300 m 2 /g. Los vidrios porosos pueden generarse mediante una extracción ácida de vidrios de alcaliborosílice con fases separadas o mediante un proceso sol-gel. Regulando los parámetros de fabricación, es posible producir un vidrio poroso con un tamaño de poro de entre 0,4 y 1000 nm en una distribución de tamaño de poro muy estrecha. Se pueden generar diversos moldes, por ejemplo, partículas irregulares (polvo, granulado), esferas, placas, barras, fibras, membranas ultrafinas, tubos y anillos.
La condición previa para la fabricación repetitiva de vidrio poroso es el conocimiento de los parámetros que determinan y controlan la estructura. La composición del vidrio inicial es un parámetro que controla la estructura. La fabricación del vidrio inicial, principalmente el proceso de enfriamiento, la temperatura y tiempo del tratamiento térmico y el postratamiento son parámetros determinantes de la estructura. El diagrama de fases del vidrio de borosílice de sodio muestra una brecha de miscibilidad para ciertas composiciones de vidrio.
La temperatura crítica superior se sitúa en unos 760 °C y la inferior en unos 500 °C. Moltschanova fue la primera persona que describió exactamente la definición de exsolución. Para una separación de fases, la composición del vidrio inicial debe encontrarse en el espacio de miscibilidad del Na ternario.
2O - B
2oh
3- SiO
2sistema de vidrio. Mediante un tratamiento térmico se genera una estructura de interpenetración, que resulta de una descomposición espinodal de la fase de borato rica en sodio y la fase de sílice. Este procedimiento se llama descomposición primaria . Utilizando una composición de vidrio inicial, que se encuentra en la línea de anomalía, es posible alcanzar una descomposición máxima, que es casi sin tensiones.
Como ambas fases tienen diferentes resistencias al agua, los ácidos minerales y las soluciones de sales inorgánicas, la fase de borato rica en sodio en estos medios se puede eliminar mediante extracción. La extracción óptima sólo es posible si la composición inicial del vidrio y el tratamiento térmico se eligen de manera que combinen estructuras y no estructuras de gotas. La textura está influenciada por la composición del vidrio inicial, que determina el tamaño y el tipo de las áreas de descomposición. En el contexto de los vidrios porosos, "textura" implica propiedades como volumen de poro específico, superficie específica, tamaño de poro y porosidad. Además, la textura de los vidrios porosos está influenciada por la concentración del medio de extracción y la proporción de líquido a sólido. Las áreas de descomposición emergentes dependen del tiempo y la temperatura del tratamiento térmico.
Además, la sílice coloidal se disuelve en la fase de borato rica en sodio, cuando aumentan el tiempo y la temperatura del tratamiento térmico. Este proceso se llama descomposición secundaria. La sílice coloidal se deposita en los macroporos durante la extracción y oscurece la estructura real de los poros. La solubilidad de la sílice coloidal en soluciones alcalinas es mayor que la de la sílice en red y, por lo tanto, puede eliminarse mediante un postratamiento alcalino.
Debido a su alta estabilidad mecánica, térmica y química, fabricación variable de tamaños de poro con una distribución de tamaño de poro pequeña y variedad de modificaciones de superficie, es posible una amplia gama de aplicaciones. El hecho de que los vidrios porosos puedan producirse en muchas formas diferentes es otra ventaja para su aplicación en la industria, la medicina, la investigación farmacéutica, la biotecnología y la tecnología de sensores.
Los vidrios porosos son ideales para la separación de materiales debido a la pequeña distribución del tamaño de los poros. Por eso se utilizan en cromatografía de gases, cromatografía de capa fina y cromatografía de afinidad. Es posible una adaptación de la fase estacionaria a un problema de separación mediante una modificación específica de la superficie del vidrio poroso.
En biotecnología, los vidrios porosos tienen beneficios para la limpieza del ADN y la inmovilización de enzimas o microorganismos. El vidrio de poro controlado (CPG) con tamaños de poro entre 50 y 300 nm también es excelente para la síntesis de oligonucleótidos . En esta aplicación, primero se une un conector, un nucleósido o un compuesto no nucleosídico, a la superficie de CPG. La longitud de la cadena de los oligonucleótidos producidos depende del tamaño de los poros del CPG.
Además, los vidrios porosos se utilizan para fabricar implantes, especialmente implantes dentales, para los cuales se procesa polvo de vidrio poroso con plásticos para formar un compuesto. El tamaño de las partículas y el tamaño de los poros influyen en la elasticidad del compuesto para adaptar las propiedades ópticas y mecánicas al tejido circundante, por ejemplo, la apariencia y dureza del esmalte dental.
Con la capacidad de formar vidrios porosos en forma de plaquetas, la tecnología de membranas es otra importante área de aplicación. La hiperfiltración de agua de mar y salobre y la ultrafiltración en el "proceso aguas abajo" son sólo dos. Además, suelen ser apropiados como soporte para catalizadores. Por ejemplo, la metátesis olefina se realizó en el sistema metal-óxido metálico/vidrio poroso.
Los vidrios porosos también se pueden utilizar como reactores de membrana, también debido a su alta estabilidad mecánica, térmica y química. Los reactores de membrana pueden mejorar la conversión de reacciones de equilibrio limitado, mientras que una membrana selectiva elimina un producto de reacción. Por ejemplo, en la descomposición de sulfuro de hidrógeno sobre un catalizador en un capilar de vidrio, la conversión por reacción fue mayor con capilar de vidrio que sin él.
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