فرآیند سُل ـ ژل روش جدیدی نیست. در سال 1800 «ابل‌من» به طور اتفاقی مشاهده کرد که تتراکلرید سیلیکون - که در ظرف رها شده بود- ابتدا هیدرولیز و سپس به ژل تبدیل شد. در سال 1950 باب مطالعات گسترده‌ای در سنتز سرامیکﻫﺎ و ساختارهای شیشه‌ای با استفاده از این روش آغاز شد. شایان ذکر است که با این روش، بسیاری از اکسیدهای غیرآلی مانند SiO₂ ZrO₂ , TiO₂ , …. سنتز شدند.در این فرآیند با استفاده از مواد اولیه، ابتدا سُل تشکیل ﻣﻲشود. سُل محلولی کلوئیدی، حاوی ذرات معلّق است. بعد از این واکنش، ژل تشکیل ﻣﻲشود. ژل سوسپانسیونی است که شکل ظرف را به خود ﻣﻲگیرد و خواص کشسانی از خود نشان ﻣﻲدهد. از مزایای این روش ﻣﻲتوان به موارد زیر اشاره کرد:

1ـ ابزار انجام آن ساده است؛
  2 ـ سرمایه‌گذاری اولیة آن کم و در عین حال کیفیت محصول بالاست؛
  3 ـ خلوصِ محصول به‌دست‌آمده بالاست؛
  4 ـ امکان طراحی ترکیب شیمیایی و به‌دست آوردن ترکیب همگن وجود دارد؛
  5 ـ فرآیند را می‌توان در دمای کم نیز ایجاد کرد.

از طرف دیگر، با توجه به شکل زیر، ﻣﻲتوان مشاهده کرد که با تغییر شرایط، ساختارهای متنوعی با استفاده از این روش به دست آیند.

مادة اولیه‌ای که در این روش مورد استفاده قرار ﻣﻲگیرد، الکوکسی سیلان نام دارد. این ماده از تأثیر شبه فلزات بر الکل تهیه ﻣﻲشود. تهیة این ماده بسیار مشکل است و در دنیا دو کمپانی صنایع شیمیایی قادر به تهیة آن هستند. الکوکسی سیلان ماده‌ای گران‌قیمت به شمار می‌رود، در عوض، با استفاده از این مادة اولیه ﻣﻲتوان به محصولاتی با خلوص بالا در مدت زمان کوتاه دست یافت. از سیلیسیلت سدیم نیز ﻣﻲتوان برای تهیة ذرات نانومتری سیلیس استفاده کرد. مشکل این‌ است که خلوص محصولاتِ حاصل از این مادة اولیه بالا نیست و نیاز به شست‌وشوی طولانی‌مدت دارد تا ناخالصیﻫﺎ از محصول نهایی خارج شود.برای سنتز نانوذرات سیلیس، به الکوکسی سیلان، آب و الکل نیاز است. از آن‌جا که الکوکسی سیلان در آب حل ﻧﻤﻲشود، بنابراین، باید از ماده‌ای استفاده کرد که هم الکوکسی سیلان در آن حل شود و هم خود این ماده محلول در آب باشد. به این منظور، از الکل استفاده ﻣﻲکنیم. از طرف دیگر، واکنش دو مادة آب و الکوکسی سیلان بسیار کُند است و با افزودن الکل، سیستم رقیق‌تر هم ﻣﻲشود. در نتیجه سرعت واکنش باز هم کاهش می‌یابد. برای افزایش سرعت واکنش، ﻣﻲتوان از کاتالیزور استفاده کرد. کاتالیزوری را که برای انجام سریع این واکنش مورد استفاده قرار ﻣﻲدهیم باید به گونه‌ای باشد که بعد از انجام واکنش بتوان آن را به‌راحتی از سیستم خارج کرد. در گزارش محققان، هم از اسیدها و هم از بازها به عنوان کاتالیزور در سنتز ذرات سیلیس استفاده شده است که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند.در محیطی با خاصیت بازی، ذرات تا اندازة 100 تا 200 نانومتر به‌سرعت رشد ﻣﻲکنند و نیروی دافعة جرمی باعث ﻣﻲشود که ذرات جدا از هم باقی بمانند. در محیط اسیدی ذرات در اندازة 2 تا 4 نانومتر متوقف ﻣﻲشوند، ولی در ادامة فرآیند به‌سرعت به هم ﻣﻲپیوندند و ذرات بزرگتر را تشکیل می‌دهند.برای سنتز نانوذرات سیلیس، از کاتالیزور آمونیاک استفاده ﻣﻲشود. از مزایای آمونیاک این است که نقطة جوش پایین دارد و به‌سرعت از سیستم بیرون می‌رود. ولی از اسیدهایی چون اسید کلریدریک، نیتریک و استیک نیز می‌توان استفاده کرد که نقطة جوش بالایی دارند. بنابراین، خارج کردن آنها از سیستم کار راحتی ﻧیست. از معایب دیگرِ این کاتالیزورها این است که باعث ایجاد لیگاندهایی با محصولات ﻣﻲشوند که دیگر ﻧﻤﻲتوان محصول را با همان پیوندهای شیمیایی مورد نظر تهیه کرد.
 

روش آزمایش
مقداری آب را با الکل و آمونیاک و بقیة الکل را با الکوکسی سیلان مخلوط می‌کنیم. این دو محلولِ جداگانه را به هم ﻣﻲافزاییم و با هم زدن، سیستم را کاملاً همگن ﻣﻲکنیم. بسته به نسبت مولی مورد استفاده در سنتز این ذرات، زمان هیدرولیز و چگالش متفاوت است. بعد از تهیة این محلول، ابتدا الکوکسی سیلان در محیط آبی هیدرولیز ﻣﻲشود. در این فرآیند گروه هیدروکسیل جایگزین گروه کربوکسیل ﻣﻲشود. این واکنش همان‌طور که گفته شد در محیط آبی طبق معادلة زیر انجام ﻣﻲشود.

بعد از هیدرولیزِ محصولات، چگالش طبق معادلة زیر آغاز ﻣﻲشود.

2 HOSi(OR)₃   ==>  (OR)₃ SiOSi (OR)₃ + H₂O
                      یا (OR)₃ SiOSi (OR)₂ (OH) + ROH

(R جزء گروه الکیل است.)در مرحلة پلیمریزاسیون گروه سیلانول Si-OH با آزاد کردن آب یا الکل به صورت سیلوکسان Si –O– Si درﻣﻲآید. سازوکار هیدرولیز به این صورت است که اکسیژن آب به اتمﻫﺎی سیلیکون حمله ﻣﻲکنند. آب ابتدا به شکل یونﻫﺎی ⁺H  و ¯OH در می‌آید و گروه الکوکسی نیز به صورت ^-(OR) و Si(OR)₃⁺  تفکیک ﻣﻲشود. سپس ^-(OH) ناشی از هیدرولیز آب جایگزین OR^- ناشی از هیدرولیز الکوکسی ﻣﻲشود.باید خاطرنشان کرد که سرعت این واکنش با افزودن کاتالیزور تغییر ﻣﻲکند. اگر از کاتالیزور اسیدی استفاده کنیم، سازوکار واکنش اندکی متفاوت خواهد بود. در این حالت به علت وجود ⁺H در محیط، گروه الکوکسی به‌سرعت پروتونﻫﺎی ⁺H را جذب ﻣﻲکند و چگالی ابرالکترونی سیلیکن کاهش خواهد یافت. بنابراین، برای مورد حمله قرار گرفتن توسط مولکولﻫﺎی آب مستعد خواهند شد.در محیط با خاصیت بازی آب، ابتدا یونﻫﺎی هیدروکسیل ¯OH  تولید خواهند شد. سپس یونﻫﺎی هیدروکسیل جایگزین گروه OR ﻣﻲشوند.بعد از فرآیند هیدرولیز، مونومرها و دی‌مرهای تشکیل می‌شوند و به هم ﻣﻲپیوندند. در این هنگام است که پلیمریزاسیون آغاز می‌شود. این مرحله ممکن است به این صورت رخ دهد:
1ـ سازوکاری که منجر به تشکیل آب ﻣﻲشود:

2 Ho Si (OR)₃    ==>  (OR)₃ + H₂O

2 ـ سازوکاری که منجر به تشکیل الکل ﻣﻲشود:

2 Ho Si (OR)₃     ==>  (OR)₂ OH SiOSi (OR)₃ + HOR

با افزایش پیوندهای سیلوکسان، مولکولﻫﺎی منفرد به یکدیگر ﻣﻲپیوندند و تشکیل سُل می‌دهند. سپس دانهﻫﺎی تشکیل‌شده به یکدیگر ﻣﻲپیوندند و تشکیل یک شبکة سه‌بُعدی را که همان ژِل است، ﻣﻲدهند.با خشک کردن این محلول، ﻣﻲتوان ذرات نانومتریِ پراکنده‌شدة سیلیس را تهیه کرد. اگرچه این فرآیند به‌سادگیِ دو معادلة ذکرشده در بالا نیست (و دارای مراحل میانی زیادی است) ولی هدف از ذکر این آزمایش چند نکته به شرح زیر است:

1ـ تهیة ذرات نانومتری با استفاده از روشﻫﺎی معمول ﻣﻲتواند انجام شود. فقط کافی است تدبیری اندیشید تا این ذرات ریزتر باشند و به هم نچسبند. این فن‌آوری ظرافتﻫﺎی خاص خود را دارد، ولی دور از دسترس نیست؛

2ـ با استفاده از روشﻫﺎی آزمایشگاهی ساده، بسیاری از مواد مورد نیاز کشور را می‌توان تهیه کرد. زیرا به علت تحریم اقتصادی کشور، قادر به واردات بسیاری از این مواد نانومتری نیستیم؛

3 ـ با طراحی یک دستگاه دقیق ﻣﻲتوان این فرآیند را ادامه‌ داد و در شبانه‌روز به مقدار قابل توجهی از آن در آزمایشگاه تولید کرد.