zand is niet weg te denken uit ons dagelijkse leven. het is immers de grondstof voor glas, keramiek, aardewerk, cement en steen. maar zand kent ook tal van geavanceerde hoogtechnologische toepassingen, zoals de fabricatie van glasvezelkabels of si-halfgeleiders. kwarts, het belangrijkste bestanddeel van zand, is een zeer dankbaar materiaal voor wetenschappelijk onderzoek en een uiterst belangrijke grondstof voor de chemische industrie.
Moet er nog zand zijn?
Loop je met je blote voeten op het strand aan de Vlaamse kust, dan zakken je tenen weg in het zand. Zandkorrels kruipen onder je teennagels, zetten zich vast in de groeven van je huid en kruipen tussen je beenhaartjes. De wind blaast de kleinste zandkorrels in de lucht, waar ze allerlei capriolen maken om ten slotte snijdend op je wangen te botsen of zich vast te zetten in je haren. Tropische zuidenwinden blazen zandkorrels van de Sahara over de Middellandse zee en over de Alpen en de Pyreneeën tot in Vlaanderen en verder in de richting van het noorden.
De chemische samenstelling van zand hangt af van het oorspronkelijke materiaal waaruit de zandkorrels voortkomen
De chemische samenstelling van zand hangt af van het oorspronkelijke materiaal waaruit de zandkorrels voortkomen. Detritisch zand is afkomstig van graniet en gesteente met een hoog gehalte aan veldspaat, mica en kwarts. Biogeen zand is meestal calciumcarbonaat (CaCO3). Door verwering of erosie verandert die chemische samenstelling doorheen de tijd. De zachtste materialen worden losgeweekt van de zandkorrels en opgelost in water. De hardste materialen van de zandkorrel blijven over. Dit is kwarts, het hoofdbestanddeel van zandkorrels, waarvan de chemische samenstelling siliciumdioxide of SiO2 is. Men vindt ook een hele reeks andere mineralen zoals veldspaat, mica, calciet, gips, olivien, graniet, saffier en vulkanische gesteenten. Als het zand alleen maar uit kwartskorrels bestaat, dan heeft men het over wit zand of glaszand, dit is zand geschikt voor de fabricatie van glas. De meeste zandkorrels zijn echter niet wit. Hun kleur wordt bepaald door de aanwezigheid van sporenelementen. Zo wijzen geel, bruin en rood op de aanwezigheid van ijzer; blauw wijst op de aanwezigheid van kobalt en groen wijst op de aanwezigheid van koper of chroom.
Zand is niet weg te denken uit ons dagelijkse leven. Zand is de grondstof voor de fabricatie van glas. Het is één van de primaire, ruwe materialen voor keramiek, aardewerk, cement en steen. We gebruiken zand voor zijn filtrerende werking in de waterzuivering, voor de schoonmaak van de gevels van gebouwen (zandstralen), of als onderlaag bij de aanleg van wegen. Als er een onweer over ons dorp of onze stad trekt, dan leggen we zandzakjes als bescherming tegen een mogelijke overstroming. Er zijn ook meer geavanceerde toepassingen, zoals de fabricatie van Si-halfgeleiders voor bijvoorbeeld chips en zonnecellen, of van glasvezelkabels voor spraak- en datatransport.
Siliciumdioxide (SiO2), het belangrijkste bestanddeel van zand, is een zeer dankbaar materiaal voor wetenschappelijk onderzoek en een uiterst belangrijke grondstof voor de chemische industrie. Het glas, de glasvezelkabels en de fabricatie van Si-halfgeleiders werden al vermeld. Maar het wordt ook als additief toegevoegd aan geneesmiddelen en in cosmetische producten. De kristallijne vorm van SiO2 is kwarts, meer bepaald α-kwarts. Na veldspaat is dit het tweede belangrijkste mineraal op aarde. De kristalvorm is een zesvlakkig prisma, dat eindigt op een zesvlakkige piramide. Meestal vindt men in de natuur tweelingkristallen of bundels van kristallen. Voor industriële toepassingen is zeer zuiver kwarts nodig, en die kristallen worden gesynthetiseerd in autoclaven, onder hoge druk en hoge temperatuur.
Voor industriële toepassingen is zeer zuiver kwarts nodig
Kwarts is bruikbaar in vele toepassingen omdat het zogenaamd piëzo-elektrische eigenschappen heeft. Piëzo-elektriciteit is de ontwikkeling van een elektrisch potentiaal door mechanische druk op het kristal. De fysische basis hiervan is de verandering van het dipoolmoment van het kristal onder invloed van druk. Die ontdekking van Jacques en Pierre Curie in 1880 heeft geleid tot de productie van kwartskristaloscillatoren in 1923, en van de bij het publiek zeer bekende kwartsuurwerken in 1927. De frequentie van de kwartskristaloscillator is in functie van het gewicht van het kristal. Door een adsorberend materiaal af te zetten op het kristal zal het gewicht wijzigen, al naargelang de hoeveelheid geadsorbeerde moleculen, en dus ook de frequentie van de trillingen. Die frequentieverschuiving kan dan ook worden gebruikt om zeer kleine veranderingen in het gewicht van een materiaal te meten. Het toestel dat van deze eigenschap gebruikmaakt, wordt de kwartskristalmicrobalans genoemd.
Daarnaast kan een kwartskristal ook worden gebruikt om de golflengten van wit licht, dat is samengesteld uit alle golflengten van het zichtbare spectrum, uit elkaar te halen. Als wit licht invalt op een kwartskristal, geslepen in de vorm van een prisma, dan wordt elke golflengte gebroken volgens de wet van Snellius: n1 Sin Θ1 = n2 sin Θ2 . Hierin is n1 de brekingsindex van lucht (praktisch gelijk aan één) en n2 die van het kwartskristal. Θ1 en Θ2 zijn respectievelijk de invalshoek van de lichtstraal op het kristal en de voortplantingshoek in het kristal. N2 is een functie van de golflengte en bijgevolg zal elke golflengte een andere hoek Θ2 kiezen in het kristal. Hierdoor wordt wit licht opgesplitst in zijn samenstellende lichtstralen en ontstaat er een spectrum. Omwille van deze eigenschap werden kwartskristallen gebruikt in de eerste generatie van spectrometers, toestellen om de eigenschappen van moleculen te meten door er licht op in te stralen. Tegenwoordig zijn de prisma’s vervangen door roosters of wordt een ander principe, interferometrie, gebruikt om spectra van moleculen en vaste stoffen op te nemen.
Niet-kristallijne vormen van SiO2 worden ook op industriële schaal geproduceerd. Het meest in het oog springende materiaal is natuurlijk glas, dat bekomen wordt door SiO2 samen te smelten met een basisch oxide zoals Na2O. Als loodoxide (PbO) of booroxide (B2O3) worden gebruikt in plaats van Na2O, dan bekomt men respectievelijk loodglas en borosilicaatglas. Naast de kristallijne vormen van SiO2 worden ook amorfe vormen gebruikt in allerlei toepassingen. Die worden typisch benoemd volgens hun productieproces: pyrogeen silica, silicagel, aerogel. Pyrogeen silica wordt verkregen door verbranding van siliciumtetrachloride, dat resulteert in een uiterst fijn poeder. Silicagel wordt verkregen door toevoeging van een zuur aan een oplossing van natriumsilicaat. Die materialen worden alle gekenmerkt door een zeer groot soortelijk oppervlak, dat tot verschillende honderden vierkante meters per gram kan bedragen. Een dergelijk groot soortelijk oppervlak leidt tot adsorptie van moleculen aan het oppervlak en is essentieel voor de ontwikkeling van adsorbentia en katalysatoren.
In de voorbije 25 jaren heeft ook de zogenaamde sol-geltechniek haar intrede gedaan. Dit is een eenvoudige nat-chemische methode waarbij op gecontroleerde manier colloïdale deeltjes van SiO2 worden aangemaakt. Op die manier worden sferische partikels met uniforme diameter in het micrometergebied gesynthetiseerd. De deeltjes kunnen in oplossing evolueren tot een gelachtig netwerk. In zure condities worden ketenvormige polymeren van SiO2 gevormd, die kunnen worden gesponnen in de vorm van vezels. We kennen die vezels bijvoorbeeld als glaskabelvezels voor de transmissie van data en van licht. Sol-gel is een goedkope, lagetemperatuurstechniek, waarin een hoge graad van zuiverheid kan worden aangehouden. De toepassingen zijn legio: sensoren, optica, elektronica, ruimte, energie, gecontroleerde afgave van medicijnen et cetera.
In een basisch milieu in plaats van in een zuur milieu produceert het sol-gelproces sferische deeltjes van SiO2. De synthesevoorwaarden kunnen zo nauwkeurig worden gekozen dat deeltjes met een vooropgestelde, uniforme diameter worden bekomen in het nanometer-micrometergebied (één miljardste tot één miljoenste van een meter). Deze sfeertjes kunnen op een perfect geordende manier worden afgezet, waarbij men een kristallijne ordening van amorfe deeltjes bekomt. Dit vindt men ook in de natuur, beter bekend als opaal. Zichtbaar licht dat invalt op synthetisch opaal wordt gediffracteerd op dezelfde manier als X-stralen op de atoomlagen in een kristal. Dit wil zeggen dat de wet van Bragg gevolgd wordt: n λ = 2 d sin Θ, waarin d de afstand is tussen de lagen van SiO2-sfeertjes en Θ de brekingshoek. Hierdoor kan een materiaal verschillende kleuren aannemen naargelang van de grootte van de SiO2-sfeertjes en de hoek waaronder het bekeken wordt. Zo heeft opaal een lichtblauwe kleur.
De sol-geltechniek is niet beperkt tot siliciumdioxide. Vele andere oxiden kunnen zo worden aangemaakt, zoals ook titaandioxide (TiO2). Dit laatste heeft een veel hogere brekingsindex dan SiO2. Als laagjes van SiO2-deeltjes worden afgewisseld met laagjes van TiO2-deeltjes, dan verkrijgt men de zogenaamde fotonische bandgap-materialen (PBG). Dit zijn materialen die licht doorlaten, behalve in één bepaald golflengtegebied, de bandgap. PBG-materialen beïnvloeden de voortplanting van elektromagnetische straling op analoge wijze als de beweging van elektronen beïnvloedt wordt in halfgeleiders. Eendimensionale PBG-materialen vinden al toepassingen in kleurvariërende inkten en verven en in reflectieve deklagen op lenzen en spiegels. Driedimensionale PBG-materialen zijn nog toekomstmuziek, maar zouden de aanzet kunnen zijn tot de ontwikkeling van optische computers. De belangrijkste rem op de ontwikkeling van PBG-materialen is hun fabricatie op industriële schaal.
Een belangrijk onderzoeksthema is de controle over de afmetingen en de vorm van de poriën in een SiO2-netwerk
Een belangrijk onderzoeksthema op dit moment is de controle over de afmetingen en de vorm van de poriën in een SiO2-netwerk. Poriën worden ingedeeld volgens hun diameter. Als die kleiner is dan 2 nm, dan spreekt men van microporiën. Poriën met een diameter tussen 2 en 50 nm worden mesoporiën genoemd, en poriën met een diameter groter dan 50 nm worden macroporiën genoemd. SiO2, dat op een traditionele manier gesynthetiseerd wordt, bevat micro-, meso- en macroporiën. Als men een materiaal wil bekomen met een specifieke poriëndiameter, dan moet de synthese gebeuren in aanwezigheid van templaten. Dit zijn organische moleculen die op een specifieke manier interageren met de intermediaire structuren van SiO2 in het synthesemengsel. Oppervlakteactieve moleculen, die als templaat gebruikt worden, vormen micellen in de syntheseoplossing, waarrond zich het silicaatnetwerk vormt. Het syntheseproduct wordt afgezonderd en gewassen. Na verwijdering van de organische porievullers – gewoonlijk door verbranding of extractie met een geschikt solvent – blijft een siliciumdioxidemateriaal over met mesoporiën. De diameter van de mesoporiën wordt bepaald door de afmetingen van de micellen, waarrond het silicaatnetwerk zich gevormd heeft. De dikte van de poriënwand en de ordening van de poriën worden bepaald door de synthesevoorwaarden. Die ordening geeft aanleiding tot typische spectra van X-stralendiffractie (XRD), waaruit de eenheidscelparameters en de wanddikte kunnen worden afgeleid. Het materiaal is in feite amorf (de SiO2-wanden van de mesoporiën) en het XRD-spectrum is een gevolg van de ordening van de mesoporiën.
De nauwste poriën worden aangetroffen in zeolieten. Dit zijn kristallijne aluminiumsilicaten, waarvan sommige ook in de natuur voorkomen. De meeste worden gesynthetiseerd met kleine matrijsmoleculen, die niet in staat zijn micellen te vormen, maar individueel de poriën van de zeoliet bevolken. Zeolieten zijn in feite microporeus, kristallijn SiO2 met dezelfde samenstelling als kwarts, dat ook kristallijn is maar geen poriën heeft. Men kan gerust stellen dat een enorme variëteit aan siliciumdioxidematerialen kan worden gesynthetiseerd met micro- en mesoporiën, welbepaald in diameter en in ordening.
Zeolieten zijn excellente katalysatoren voor een brede waaier van chemische reacties met het (hydro)kraken van koolwaterstoffen als belangrijkste voorbeeld. Zeolieten kunnen moleculen zeven. Alleen koolwaterstoffen, die klein genoeg zijn om onder reactieomstandigheden doorheen de microporiën te diffunderen, zullen reageren. Alleen productmoleculen die na reactie uit het poriënsysteem kunnen migreren, zullen worden teruggevonden. Dit betekent in chemische termen een verhoging van de selectiviteit van de reactie en een vermindering van de hoeveelheid bijproducten en afval. Micro- en mesoporeuze katalysatoren dragen dus bij tot de ontwikkeling van een groenere chemie.
Zand is een natuurlijk materiaal, dat als grondstof dient in tal van industrieën, zoals de glasnijverheid, maar ook in hoogtechnologische toepassingen, zoals de productie van glasvezels. Onderzoekers aan de universiteiten hebben dit materiaal verder ontwikkeld om er zeer zuivere kwartskristallen van te maken, en micro- en mesoporeuze materialen, die de basis vormen voor de ontwikkeling van adsorbentia en katalysatoren voor de chemische nijverheid.
Michael Welland, Sand, The Never-ending Story. (Berkeley: University of California Press, 2009).
Robert A. Schoonheydt is als bio-ingenieur verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License