Il processo Stöber è un’efficace strategia sol-gel per la produzione di particelle di silice uniformi e monodisperse con dimensioni e proprietà superficiali altamente personalizzabili. Il biossido di silicio comunemente chiamato silice, è il composto più abbondante sulla Terra ed è distribuita nella crosta terrestre nei minerali e si trova anche nelle piante e nei cereali.
Tuttavia il biossido di silicio di origine naturale contiene impurità metalliche, che potrebbero non essere favorevoli per applicazioni scientifiche e industriali avanzate. Sebbene gli approcci sintetici, tra cui la macinazione a sfere e la microemulsione possano essere impiegati per produrre silice nella sua forma pura, la loro applicazione è limitata a causa delle condizioni di sintesi o dell’uso di tensioattivi.
Nel 1968 fu proposto il processo Stöber adatto per la produzione di sfere di silice uniformi, ben definite, monodisperse in modo semplice regolando semplicemente i parametri di reazione come la concentrazione dei reagenti e la temperatura. Il processo Stöber è stato scoperto per la prima volta da Werner Stöber e può essere utilizzato per produrre un’ampia gamma di sol-gel da sali metallici, alcossidi metallici formati aggiungendo alcool o altri precursori organometallici del silicio tramite idrolisi e condensazione.
Sebbene il processo Stöber costituisca un importante passo avanti nel campo della chimica delle particelle in termini di dimensioni e distribuzione uniformi, nonché di proprietà personalizzabili, ampiamente utilizzate in una varietà di applicazioni come ceramica, cromatografia, catalisi, industrie delle vernici, industrie farmaceutiche, applicazioni informatiche ad alta tecnologia e imaging ottico, non è stato pienamente riconosciuto per oltre trent’anni e solo di recente è stato rivalutato.
Reazioni nel processo Stöber
Il processo Stöber prevede l’idrolisi del tetraetossisilano (TEOS) costituita da quattro gruppi etilici legati allo ione SiO44- in soluzione alcol-acqua, seguita dalla condensazione dei silanoli risultanti. Di solito, viene utilizzata l’ammoniaca per regolare il pH del mezzo che deve essere pari a 11–13 nella miscela di reazione, che svolge anche una funzione catalitica.
Tuttavia, il processo Stöber può anche essere effettuato in ambiente acido con un valore di pH compreso tra 1 e 4 aggiungendo HCl e NaF. È possibile controllare la dimensione e la forma delle particelle di biossido di silicio attraverso la variazione dei rapporti e delle condizioni di sintesi e la possibilità di ottenere particelle porose. Tipicamente, la dimensione delle particelle di silice ottenute nel processo Stöber rientra nell’intervallo compreso tra 20 e 800 nm.
La prima reazione del processo Stöber inizia con l’idrolisi del tetraetossisilano con formazione di etossisilanoli come Si(OEt)3OH, Si(OEt)2(OH)2 che danno luogo a una reazione di condensazione reagendo con che può poi condensare con il tetraetossisilano o con un altro silanolo con perdita di alcol o acqua. Un’ulteriore idrolisi dei gruppi etossilici e la successiva condensazione portano alla reticolazione.
Manipolando le condizioni di reazione, la dimensione delle nanoparticelle risultanti può essere controllata ed inoltre si può intervenire sul loro carattere idrofilo dovuto alla presenza di gruppi -OH in superficie. Il processo Stöber può essere effettuato anche direttamente su superfici e substrati a cui le nanoparticelle possono legarsi tramite legame covalente a seconda della natura del substrato.
Applicazioni
I materiali a base di silice per la loro straordinaria stabilità e resistenza meccanica e per le loro proprietà superficiali proprietà superficiali, come un’area superficiale ben sviluppata sono applicati in vari settori come nell’adsorbimento di inquinanti pericolosi, la catalisi, l’immobilizzazione di enzimi e i sistemi di somministrazione di farmaci.
Oltre alle tradizionali applicazioni della silice come agente legante nella produzione di gomma, plastica e cemento e nanoparticelle di silice i materiali mesoporosi a base di nanoparticelle di silice hanno attirato l’attenzione per il loro uso quali catalizzatori. I pori interni di queste strutture, infatti, possono essere funzionalizzati e le dimensioni dei pori possono essere regolate per offrire un ingresso selettivo alle molecole che partecipano al processo catalitico.
La presenza di due domini costituiti da una superficie esterna e una interna nei pori che offrono molteplici opzioni di funzionalizzazione hanno portato il chimico María Vallet-Regí e il suo gruppo che si interessa di Smart Biomaterials presso l’Universidad Complutense de Madrid a sviluppare il primo sistema di somministrazione di farmaci basato su una silice mesoporosa caricata con il farmaco antinfiammatorio che ha aperto un nuovo campo di applicazioni biomediche per questo tipo di materiale inorganico.
Il processo Stöber viene inoltre utilizzato per preparare nanoparticelle di ossido di ferro rivestite di silice. Le nanoparticelle costituite da un nucleo magnetico di ossido di ferro incapsulato in un appropriato rivestimento organico o inorganico sono utilizzate in un’ampia gamma di applicazioni biomediche, dalla separazione delle macromolecole alla risonanza magnetica