多孔質ガラス

多孔質ガラスは、通常ナノメートルまたはマイクロメートルの範囲の細孔を含むガラスであり、一般的には、ホウケイ酸ガラス（SiO ₂ -B ₂ O ₃ -Na ₂ O系など）の準安定相分離と、続いて形成された相の1つを液体抽出することによって製造される。^{[1] [2]}ゾルゲル法によって製造されるか、または単にガラス粉末を焼結することによって製造される。

多孔質ガラスは、その特性と商業的入手可能性により、最も広範に研究され、特徴付けられた非晶質固体の 1 つとなっています。微細構造をモデル化できるため、多孔質ガラスはモデル システムとして高い可能性を秘めています。剛性で非圧縮性のシリカネットワークにより、化学的、熱的、機械的耐性が高くなります。1 nm から任意の値までの孔サイズで、高品質に製造できます。内面の機能化が容易なため、多孔質ガラスの用途は多岐にわたります。

他の多孔質材料と比較した多孔質ガラスのさらなる特別な利点は、粉末や顆粒としてだけでなく、ほぼあらゆるユーザー定義の形状と質感の大きな破片としても製造できることです。

20 世紀前半、ターナーとウィンクスは、ホウケイ酸ガラスが酸で浸出できることを発見しました。彼らの調査により、化学的安定性が熱処理によって影響を受けるだけでなく、密度、屈折率、熱膨張、粘度も影響を受けることが示されました。1934 年に、ノードバーグとフッド^[要説明]は、ガラスを熱処理すると、アルカリホウケイ酸ガラスが可溶性(ホウ酸ナトリウムが豊富)相と不溶性(シリカが豊富)相に分離することを発見しました。鉱酸を使用した抽出により、可溶性相を除去することができ、多孔質シリカ ネットワークが残ります。抽出後の焼結プロセス中に、石英ガラスに近い特性を持つシリカガラスが生成されます。このような高シリカ ガラスの製造方法は、 VYCORプロセスとして公開されています。

科学文献では、多孔質ガラスは、相分離したアルカリホウケイ酸ガラスの酸抽出または酸とアルカリの組み合わせの抽出によってそれぞれ生成される、約 96% のシリカを含む多孔質材料であり、相互に連結した 3 次元の多孔質微細構造を特徴とします。市販の多孔質ガラスの場合、多孔質 VYCOR ガラス (PVG) および制御多孔性ガラス (CPG) という用語が使用されています。細孔構造は合成チャネル システムによって形成され、比表面積は 10 ～ 300 m ² /g です。多孔質ガラスは、相分離したアルカリホウケイ酸ガラスの酸抽出、またはゾルゲル法によって生成できます。製造パラメータを調整することで、細孔サイズが 0.4 ～ 1000 nm で、細孔サイズ分布が非常に狭い多孔質ガラスを製造することができます。不規則な粒子（粉末、顆粒）、球体、プレート、スティック、繊維、極薄膜、チューブ、リングなど、さまざまな金型を生成できます。

多孔質ガラスを繰り返し製造するための前提条件は、構造決定パラメータと構造制御パラメータに関する知識です。初期ガラスの組成は構造制御パラメータです。初期ガラスの製造、主に冷却プロセス、熱処理の温度と時間、および後処理は構造決定パラメータです。ホウケイ酸ナトリウムガラスの状態図は、特定のガラス組成に対して混和性ギャップを示しています。

上臨界温度は約760℃、下臨界温度は約500℃である。モルチャノバは、分離の定義を正確に記述した最初の人物である。相分離のためには、初期のガラス組成は、三元Naの混和性ギャップ内にある必要がある。
₂O - B
₂お
₃- SiO
₂ガラスシステム。熱処理により、ナトリウムを多く含むホウ酸塩相とシリカ相のスピノーダル分解から生じる相互浸透構造が生成されます。この手順は一次分解と呼ばれます。異常線上にある初期のガラス組成を使用すると、ほとんど歪みのない最大の分解を達成できます。

両方の相は水、鉱酸、無機塩溶液に対して異なる耐性を持っているため、これらの媒体のナトリウムを多く含むホウ酸塩相は抽出によって除去できます。最適な抽出は、液滴構造ではなく結合構造が形成されるように初期のガラス組成と熱処理が選択された場合にのみ可能です。テクスチャは初期のガラスの組成によって影響を受け、分解領域のサイズとタイプを決定します。多孔質ガラスの場合、「テクスチャ」は比細孔容積、比表面積、細孔サイズ、多孔度などの特性を意味します。さらに、多孔質ガラスのテクスチャは抽出媒体の濃度と液体と固体の比率によって影響を受けます。分解領域は熱処理の時間と温度によって異なります。

また、熱処理の時間と温度が上昇すると、コロイダルシリカはナトリウムを多く含むホウ酸塩相に溶解します。このプロセスは二次分解と呼ばれます。コロイダルシリカは抽出中にマクロ細孔に沈着し、実際の細孔構造を不明瞭にします。アルカリ溶液中のコロイダルシリカの溶解度はネットワークシリカよりも高いため、アルカリ後処理で除去できます。

高い機械的、熱的、化学的安定性、小さな孔径分布による多様な孔径の製造、および多様な表面改質により、幅広い用途が可能です。多孔質ガラスがさまざまな形状で製造できるという事実は、産業、医学、薬学研究、バイオテクノロジー、センサー技術への応用におけるもう 1 つの利点です。

多孔質ガラスは、細孔サイズ分布が小さいため、物質の分離に最適です。そのため、多孔質ガラスはガスクロマトグラフィー、薄層クロマトグラフィー、アフィニティークロマトグラフィーで使用されます。多孔質ガラスの表面を特定の方法で変更することで、分離の問題に対する固定相の適応が可能になります。

バイオテクノロジーでは、多孔質ガラスは DNA の洗浄や酵素や微生物の固定化に有効です。50 ～ 300 nm の細孔径を持つ制御細孔ガラス (CPG) もオリゴヌクレオチドの合成に最適です。この用途では、リンカー、ヌクレオシド、または非ヌクレオシド化合物が最初に CPG の表面に付着します。生成されるオリゴヌクレオチドの鎖長は CPG の細孔径に依存します。

さらに、多孔質ガラスはインプラント、特に歯科インプラントの製造に使用され、多孔質ガラス粉末をプラスチックと加工して複合材を形成します。粒子サイズと気孔サイズは複合材の弾性に影響し、光学的および機械的特性を周囲の組織に適合させます。たとえば、歯のエナメル質の外観と硬度などです。

多孔質ガラスを小板状に形成する能力を持つ膜技術は、もう 1 つの重要な応用分野です。海水や汽水の超濾過や「下流プロセス」での超濾過は、その 2 つにすぎません。さらに、膜は触媒のキャリアとして適していることがよくあります。たとえば、金属 - 金属酸化物 / 多孔質ガラスのシステムでオレフィン - メタセシスが実現されました。

多孔質ガラスは、機械的、熱的、化学的に高い安定性があるため、膜反応器としても使用できます。膜反応器は、選択膜によって 1 つの反応生成物を除去しながら、限られたバランス反応の変換率を向上させることができます。たとえば、ガラス毛細管内の触媒による硫化水素の分解では、反応による変換率はガラス毛細管を使用した場合の方が使用しない場合よりも高くなりました。

• ヴィコール
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