Мягкая химия
Мя́гкая хи́мия (англ. soft chemistry, франц. chimie douce), понятие, объединяющее методы получения твердофазных материалов при относительно невысоких давлениях и температурах. В современном значении термин «мягкая химия» включает в себя топотаксические реакции, методы «мокрой химии» и парофазные реакции.
В классической препаративной химии твёрдого тела реакционная смесь должна быть нагрета при высокой температуре, чтобы обеспечить диффузию между атомами. Это приводит к образованию фаз, ожидаемых из термодинамических соображений, т. е. фаз с наименьшей свободной энергией. Методы мягкой химии позволяют получать не только термодинамически стабильные, но и метастабильные фазы, менее устойчивые с точки зрения термодинамики (с большей свободной энергией). Это становится возможным благодаря тому, что энергия активации формирования этой фазы ниже, чем для термодинамически устойчивой фазы.
Низкая температура синтеза позволяет легко получать материалы в наноразмерном состоянии. Варьирование параметров реакции (температуры, давления, концентрации реагентов и т. д.) позволяет контролировать форму и размер получаемых частиц и формировать материалы заданной морфологии, что широко используется в нанотехнологии, например для получения 1D- и 2D-материалов (волокна и плёнки).
Методы «мягкой химии» обеспечивают максимально возможную гомогенизацию прекурсоров и позволяют получать материалы с высокой химической однородностью. Например, это позволяет добиться равномерного содержания легирующих добавок в объёме материала.
К недостаткам методов «мягкой химии» можно отнести высокую стоимость исходных реагентов. Получение материалов методами мягкой химии требует кропотливого подбора условий. Для оптимизации синтеза конкретного материала требуется проведение широкомасштабного исследования, однако найденные условия зачастую нельзя применить для синтеза родственных материалов.
Растворные методы синтеза применялись в промышленности начиная с 17 в. Широко использовались описанные Я. Б. ван Гельмонтом в 1640-х гг. растворы силикатов щелочных металлов; в 1797 г. был разработан метод получения диоксида циркония и т. д. (Vauquelin L. N. Extrait // Annales de chimie. 1797. T. 22. P. 179).
В 1969 г. на коллоквиуме по препаративной химии твёрдого тела немецкий химик Х. Шефер выделил два различных типа реакций, используемых для получения материалов: те, в которых реакция проходит под воздействием высоких температур, и те, в которых на ход реакции и характер продуктов влияет структура реагентов. Он подчеркнул, что при использовании высокотемпературных методов синтеза вопрос о механизме реакции остаётся на заднем плане и, таким образом, много интересных синтетических путей оказываются неиспользованными.
Термин «мягкая химия» был впервые использован французским химиком Ж. Ливажем в 1977 г. в статье Livage J. Quand l'air et l'eau remplacent le pétrole // Le Monde. 1977. 26 octobre. Параллельно возник схожий по значению термин «биомиметика». Его использование критикуется, поскольку эволюция – это зачастую случайный процесс и не все достигнутые инженерные решения оптимальны.
Согласно определению, данному британским химиком Э. Р. Уэстом в 1986 г. (West A. R. Solid State Chemistry and its Applications. Taipei, 1986. p. 30), процессы «мягкой химии» – это процессы, которые позволяют получать новые соединения и сохранять структурный каркас предшественника. Такие процессы называются топотаксическими. Одним из самых простых примеров топохимической трансформации является реакция интеркаляции.
Изначально мягкая химия включала в себя только топотаксические реакции, но на сегодняшний день к этому понятию относят «мокрую» химию (англ. wet chemistry или soft solution processing), т. е. золь-гель процесс, соосаждение, гидротермальный, гидротермально-микроволновой, сонохимический, цитратный и другие методы. Также к «мягкой химии» относят методы химического осаждения из газовой фазы (например, термическое разложение паров металлоорганических соединений и парофазный гидролиз). Такие реакции являются нетопотаксическими, т. е. между исходными материалами и продуктами не сохраняется структурная взаимосвязь.
Отличительной особенностью современной «мягкой химии» является особое внимание к изучению механизмов процессов, что сближает эту область с органической химией.