Procédé sol-gel - Définition
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Matériaux sol-gel organo-minéraux
Dans le procédé sol-gel, les réactions de base s’effectuant autour de la température ambiante, on conçoit aisément qu’il est possible d’associer des parties organiques à la partie minérale sans qu’elles subissent de dégradation thermique ultérieure.
Une première possibilité consiste à dissoudre la partie organique dans le solvant de synthèse. Le gel minéral se forme alors en tenant compte de la présence des molécules invitées. Une limitation de cette approche est la proportion faible d’organique inséré dans le réseau minéral. La seconde possibilité consiste à utiliser des précurseurs comportant à la fois des fonctions hydrolysables (par exemple -Si-OC2H5 ou -Si-OCH3) qui génèrent le réseau silicaté et des fonctions organiques (par exemple -Si-CH3) qui restent greffées au squelette minéral. Ces chaînons organiques sont liés au silicium via une liaison Si-C qui est insensible à l’hydrolyse. Selon sa nature, la partie organique peut jouer le rôle de formateur ou de modificateur par analogie aux formateurs et aux modificateurs des verres élaborés à haute température. L’analogie qui est faite entre les verres sol-gel et les verres haute température est illustrée figure 7. On voit que dans les deux cas (7b et 7c) l’introduction de modificateurs vient perturber le réseau cristallin et les propriétés des verres
Les figures 8a et 8b donnent des exemples de chaînons organiques modificateurs utilisés dans la technologie hybride. Ils confèrent au matériau final des propriétés spécifiques (accentuation du caractère hydrophobe, amélioration de certaines propriétés mécaniques…). Ils se retrouvent alors comme unités pendantes. Dans le cas de la figure 8c, la partie organique est intégrée au réseau minéral. Par ailleurs la présence de groupements organiques polymérisables (formateurs) permet d’envisager une double polymérisation, organique et minérale. Les molécules décrites figures 8d et 8e portent respectivement une fonction acrylate et époxyde. Ces matériaux hybrides intermédiaires entre verre minéral et polymère organique offrent un large éventail de propriétés inédites fruit de l’association des deux mondes minéral et organique.
La figure 8f représente une molécule colorée de type azobenzène greffée sur un précurseur sol-gel. Ce produit a été préparé à partir d’alkoxysilane fonctionnalisé de formule F-R’-Si(OEt)3, où F est une fonction chimique, par exemple un groupe amine ou isocyanate, et R’ un groupe alkyle. Cette démarche permet, par liaison covalente, un greffage à la matrice, de systèmes moléculaires spécifiques. Un des avantages apporté par ce type de greffage est l’augmentation très importante de la concentration en espèces moléculaires par rapport aux systèmes simplement dissout dans le gel.
L’apport d’une partie organique plus ou moins hydrophobe au sein du réseau minéral favorise le séchage et améliore les propriétés mécaniques des matériaux hybrides. Ces derniers, obtenus sous différentes formes (monolithes, films) sont amorphes, transparents dans le visible (lorsqu’ils sont non-dopés), denses, inertes chimiquement et polissables (un nanomètre de rugosité). La figure 9a et 9b montre des échantillons de tels xérogels.
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Cette ingénierie des matériaux polyfonctionnels par voie hybride permet un couplage optimal entre les propriétés qui résultent des sous-entités organiques d’une part, et minérales d’autre part. La compréhension et la maîtrise des interactions entre le système moléculaire inséré et la matrice hôte déterminent une partie des propriétés du matériau. Nous allons montrer comment, par un choix judicieux du couple matrice/système dopant, il est possible de contrôler les propriétés optiques de matériaux hybrides.
