Sol-gel yesterday, today and tomorrow

Abstract

7000 years ago, the Assyrians made a multicomponent oxide glass. In the 19th century, silica glass was produced from the melt. The origin of the sol-gel process, which almost led to silica glass, stems from the same time, but soon after fell into oblivion. The first sol-gel patent in 1939 demonstrates the formation of SiO2 and TiO2 layers, and in 1953 the first layers were introduced into the market. The further industrial development of the sol-gel dip-coating process led to the present products like the blue car rear-view mirror, the antireflex coatings Mirogard® and the sun-shielding coatings IROX®. It was demonstrated in 1968 that it is possible to make glasses, glass ceramics and ceramics in a well-defined way from multicomponent alkoxides without going through the melt. The first example was the borosilicate glass Duran. After the first publication [1] and an incubation period of several years, a world-wide sol-gel development began, which still lasts, and which is probably best characterized by the slogan "better ceramics through chemistry". Besides thin layers - which probably still are the major sol-gel product - powders, fibres and objects like hollow spheres, plates, rods and tubes were developed. Often the development started with silica glass and then continued with multicomponent oxides. New products are the non-reflecting shop-window glazing Amiran® and the contrast-enhancing screens Conturan® for computer displays. The development of organically modified silicates was stimulated by the rich chemistry which is so typical for sol-gel processes. The future of the sol-gel process is characterized by the manifold chemical possibilities, like PLTZ (Pb-La-Ti-Zr oxides) for optoelectronics, PbTiO3 for piezoelectrics, NASICON (Na3Zr2Si2PO12, e.g. as a superionic conductor) or V2O5 because of its electrical conductivity, and Sb2S3 because of its photosensitivity. Enormous efforts are made for oxidic superconductors (fibres, layers). Furthermore, there ist the combination of inorganic and organic materials with a multitude of applications in photochromics, electrochromics, non-linear optics and much more. Vor 7000 Jahren erschmolzen die Assyrer ein Mehrkomponentenoxidglas. Im 19. Jh. wurde Kieselglas erschmolzen, und nahezu zeitgleich entstand der Ursprung des Sol-Gelverfahrens, führte fast zu Kieselglas und wurde wieder vergessen. 1939 zeigte das erste Sol-Gelpatent die Schichtbildung von SiO2 und TiO2, und 1953 erschienen die ersten Schichten auf dem Markt. Die weitere industrielle Entwicklung des Sol-Geltauchverfahrens führte zu den heutigen Produkten des blau reflektierenden Autorückspiegels, der Antireflexschicht Mirogard®, und des Sonnenschutzreflexionsglases IROX®. 1968 wurde gezeigt, daß Mehrkomponentenoxide als Gläser, Glaskeramiken und Keramiken ohne Durchlaufen der Schmelzphase definiert herstellbar sind. Das erste Beispiel war das Borosilicatglas Duran. Im Anschluß an eine Veröffentlichung von Dislich [1] und nach einer Inkubationszeit von einigen Jahren begann dann eine bis heute anhaltende weltweite Sol-Gelentwicklung, die am besten charakterisiert wird durch das Schlagwort „better ceramics through chemistry". Neben den Schichten-bis heute wohl noch das größte Sol-Gelprodukt - wurden Pulver, Fasern und massive Formkörper herstellbar als Hohlkügelchen, Platten, Stäbe, Rohre. Oft startete die Entwicklung mit Kieselglas und ging dann auf Mehrkomponentenoxide über. Neuere Produkte sind entspiegelte Schaufensterscheiben Amiran® sowie kontrastanhebende Vorsatzscheiben für Monitore Conturan®. Die für das Sol-Gelverfahren typischen „Chemie-Schübe" führten auch zur Entwicklung der organisch modifizierten Silcate. Die Zukunft des Sol-Gelverfahrens wird durch die vielseitigen chemischen Möglichkeiten gekennzeichnet sein wie PLTZ (Pb-La-Ti-Zr-Oxide) für Optoelektronik, PbTiOs für Piezoelektrik, NASICON (Na3Zr2Si2POi2, z. B. als Supraionenleiter) oder V2O5 wegen der Leitfähigkeit und Sb2S3 wegen der Fotosensibilität. Auf dem Gebiet der oxidischen Supraleiter (Fasern, Schichten) sind die Bemühungen inzwischen erheblich. Die Kombination von anorganischen und organischen Stoffen bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten, z. B. auf den Gebieten der Fotochromie, Elektrochromie, der nicht-linearen Optik und vielem mehr.