Гель

Чтобы узнать о других значениях, см. Гель (значения) .

Перевернутый флакон с гелем для волос

Кремнезем пришел

Гель , представляет собой полутвердое вещество свойства которого могут варьироваться от мягких и слабых до твердых и вязких. Гели определяют как существенно разбавленную сшитую систему, которая в стационарном состоянии не проявляет текучести, хотя жидкая фаза все еще может диффундировать через эту систему.

Определение геля ИЮПАК

гели в основном жидкие По массе , но ведут себя как твердые вещества из-за трехмерной сшитой сетки внутри жидкости. Именно поперечные связи внутри жидкости придают гелю его структуру (твердость) и способствуют прилипанию геля ( липкости ). Таким образом, гели представляют собой дисперсию молекул жидкости внутри твердой среды. Слово «гель» было придумано шотландским химиком XIX века Томасом Грэмом путем вырезания из желатина .

Процесс образования геля называется гелеобразованием .

Состав

Гели состоят из твердой трехмерной сети, которая охватывает объем жидкой среды и захватывает ее за счет поверхностного натяжения эффектов . Эта внутренняя сетчатая структура может возникнуть в результате физических связей, таких как переплетения полимерных цепей (см. Полимеры ) (физические гели) или химических связей , таких как дисульфидные связи (см. Тиомеры ) (химические гели), а также кристаллитов или других соединений, которые остаются неповрежденными внутри расширяющаяся жидкость. В качестве наполнителя можно использовать практически любую жидкость, включая воду ( гидрогели ), масло и воздух ( аэрогель ). Как по весу, так и по объему гели в основном имеют жидкий состав и поэтому имеют плотность, аналогичную плотности составляющих их жидкостей. Съедобное желе является распространенным примером гидрогеля и имеет плотность, близкую к воде.

Полиионные полимеры

Полиионные полимеры – это полимеры с ионной функциональной группой. Ионные заряды предотвращают образование плотно скрученных полимерных цепей. Это позволяет им вносить больший вклад в вязкость в растянутом состоянии, поскольку растянутый полимер занимает больше места. Это также причина затвердевания геля. См. полиэлектролит для получения дополнительной информации.

Типы

Коллоидные гели

Коллоидный гель состоит из перколированной сети частиц в жидкой среде. обеспечение механических свойств в частности, рост эластичного поведения. Частицы могут демонстрировать притягивающие взаимодействия за счет осмотического истощения или за счет полимерных связей.

Коллоидные гели имеют три фазы жизни: гелеобразование, старение и разрушение. Гель изначально образуется в результате объединения частиц в пространственную сеть, что приводит к остановке фазы. На этапе старения частицы медленно перестраиваются, образуя более толстые пряди, увеличивая эластичность материала. Гели также могут сжиматься и разделяться внешними полями, такими как гравитация. Коллоидные гели демонстрируют реологию линейного отклика при низких амплитудах. Эти материалы были исследованы в качестве кандидатов на роль матрицы высвобождения лекарств.

Гидрогели

Основная статья: Гидрогель

См. также: Суперабсорбирующий полимер , Самовосстанавливающиеся гидрогели и Гидрогель для сельского хозяйства.

Гидрогель супервпитывающего полимера

Гидрогель геля , представляет собой сеть гидрофильных полимерных цепей, иногда встречающуюся в виде коллоидного в котором вода является дисперсионной средой. Трехмерное твердое вещество получается в результате того, что гидрофильные полимерные цепи удерживаются вместе поперечными связями. Из-за присущих поперечных связей структурная целостность сети гидрогеля не растворяется из-за высокой концентрации воды. Гидрогели представляют собой высокоабсорбирующие ( они могут содержать более 90% воды) природные или синтетические полимерные сетки. Гидрогели также обладают степенью гибкости, очень близкой к естественной ткани, из-за значительного содержания воды. Будучи отзывчивыми « умными материалами », гидрогели могут инкапсулировать химические системы, которые при стимуляции внешними факторами, такими как изменение pH, могут вызывать высвобождение определенных соединений, таких как глюкоза, в окружающую среду, в большинстве случаев путем перехода гель-золь в жидкость. состояние. Хемомеханические полимеры в большинстве случаев также представляют собой гидрогели, которые при стимуляции изменяют свой объем и могут служить актуаторами или сенсорами . Первое появление термина «гидрогель» в литературе произошло в 1894 году.

Определение ИЮПАК полимерного геля

Органогели

См. Также: Органогели

Органогель жидкой — это некристаллический , нестекловидный термообратимый ( термопластичный ) твердый материал, состоящий из органической фазы , заключенной в трехмерную сшитую сеть. Жидкостью может быть, например, органический растворитель , минеральное или растительное масло . Растворимость размеры и частиц структуратора являются важными характеристиками эластичных свойств и твердости органогеля. Часто эти системы основаны на самосборке молекул структурирующих веществ. (Примером образования нежелательной термообратимой сетки является кристаллизация воска в нефти . )

Органогели имеют потенциал для использования в ряде областей применения, например, в фармацевтике , косметика, консервация произведений искусства, и еда.

Ксерогели

https://doi.org/10.1351/goldbook.X06700 .

Ксерогель — твердое вещество , / ˈ z ɪər oʊ ˌ dʒ ɛ l / образующееся из геля путем высыхания с беспрепятственной усадкой. Ксерогели обычно сохраняют высокую пористость (15–50%) и огромную площадь поверхности (150–900 мкм). ² /г) и очень малым размером пор (1–10 нм). Когда удаление растворителя происходит в сверхкритических высокопористый материал с низкой плотностью, известный как аэрогель условиях, сетка не сжимается и образуется . Термическая обработка ксерогеля при повышенной температуре приводит к вязкому спеканию (усадка ксерогеля из-за небольшого количества вязкого потока), в результате чего получается более плотное и прочное твердое вещество, достигаемая плотность и пористость зависят от условий спекания.

Нанокомпозитные гидрогели

Нанокомпозитные гидрогели или гибридные гидрогели представляют собой высокогидратированные полимерные сети, физически или ковалентно сшитые друг с другом и/или с наночастицами или наноструктурами. Нанокомпозитные гидрогели могут имитировать свойства, структуру и микроокружение нативных тканей благодаря своей гидратированной и взаимосвязанной пористой структуре. Широкий спектр наночастиц, таких как углеродные, полимерные, керамические и металлические наноматериалы, можно включить в структуру гидрогеля для получения нанокомпозитов с индивидуальной функциональностью. Нанокомпозитные гидрогели могут обладать превосходными физическими, химическими, электрическими, термическими и биологическими свойствами.

Свойства

Многие гели обладают тиксотропией : они становятся жидкими при взбалтывании, но вновь затвердевают в состоянии покоя. В целом гели представляют собой твердые желеобразные материалы. Это разновидность неньютоновской жидкости . Заменив жидкость газом, можно получить аэрогели — материалы с исключительными свойствами, включая очень низкую плотность, высокую удельную поверхность и отличные теплоизоляционные свойства.

Термодинамика деформации геля

По сути, гель представляет собой смесь полимерной сетки и фазы растворителя . сети При растяжении перекрестные связи отодвигаются дальше друг от друга. Поскольку нити полимера между поперечными связями действуют как энтропийные пружины , гели демонстрируют эластичность, как резина (которая представляет собой просто полимерную сетку без растворителя). Это происходит потому, что штраф за свободную энергию при растяжении идеального полимера сегмента $N$ мономеры размера $b$ между сшивками на сквозное расстояние $R$ примерно определяется

$F_{\text{ela}}\sim kT{\frac {R^{2}}{Nb^{2}}}.$

Это источник эластичности как геля, так и резины . Но одно ключевое отличие состоит в том, что гель содержит дополнительную фазу растворителя и, следовательно, способен значительно изменять объем при деформации за счет поглощения и удаления растворителя. Например, гель может набухнуть в несколько раз по сравнению с первоначальным объемом после погружения в растворитель после достижения равновесия. Это явление набухания геля. Напротив, если мы вытащим набухший гель и позволим растворителю испариться, гель сожмется примерно до своего первоначального размера. Альтернативно такое изменение объема геля можно осуществить путем приложения внешних сил. Если к гелю приложить одноосное сжимающее напряжение , некоторое количество растворителя, содержащегося в геле, будет выдавлено, и гель сожмется в направлении приложенного напряжения. Для изучения механического состояния геля в равновесии хорошей отправной точкой является рассмотрение кубического геля объемом $V_{0}$ это растянуто на факторы $\lambda _{1}$, $\lambda _{2}$ и $\lambda _{3}$ в трех ортогональных направлениях при набухании после погружения в фазу растворителя исходного объема $V_{s0}$. Тогда конечный деформированный объем геля $\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}V_{0}$ а общий объем системы равен $V_{0}+V_{s0}$это значение считается постоянным в процессе набухания для простоты лечения. Набухшее состояние геля теперь полностью характеризуется факторами растяжения. $\lambda _{1}$, $\lambda _{2}$ и $\lambda _{3}$ и поэтому представляет интерес получить свободную энергию деформации как функцию от них, обозначенную как $f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})$. По аналогии с исторической трактовкой эластичности резины и свободной энергии смешивания: $f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})$ чаще всего определяется как разница свободной энергии после и до набухания, нормированная на начальный объем геля. $V_{0}$, то есть плотность разности свободной энергии. Форма $f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})$естественно предполагает два вклада радикально разного физического происхождения: один связан с упругой деформацией полимерной сетки, а другой – со смешиванием сетки с растворителем. Следовательно, мы пишем

$f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})=f_{\text{net}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})+f_{\text{mix}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3}).$

Теперь мы рассмотрим эти два вклада отдельно. Член упругой деформации полимера не зависит от фазы растворителя и имеет то же выражение, что и каучук, как это получено в теории эластичности каучука Куна :

$f_{\text{net}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})={\frac {G_{0}}{2}}(\lambda _{1}^{2}+\lambda _{2}^{2}+\lambda _{3}^{2}-3),$

где $G_{0}$обозначает модуль сдвига исходного состояния. С другой стороны, термин смешивания $f_{\text{mix}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})$ обычно рассматривается с помощью свободной энергии Флори-Хаггинса концентрированных растворов полимеров. $f(\phi )$, где $\phi$– объемная доля полимера. Предположим, что исходный гель имеет объемную долю полимера $\phi _{0}$, объемная доля полимера после набухания будет равна $\phi =\phi _{0}/\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}$ поскольку количество мономеров осталось прежним, а объем геля увеличился в раз. $\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}$. По мере уменьшения объемной доли полимера от $\phi _{0}$ к $\phi$, раствор полимера концентрации $\phi _{0}$ и объем $V_{0}$ смешивают с чистым растворителем в объеме $(\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}-1)V_{0}$ стать раствором с концентрацией полимера $\phi$ и объем $\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}V_{0}$. Изменение плотности свободной энергии на этом этапе смешивания определяется как

$V_{g0}f_{\text{mix}}(\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3})=\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}f(\phi )-[V_{0}f(\phi _{0})+(\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}-1)f(0)],$

где в правой части первый член представляет собой плотность энергии Флори-Хаггинса конечного набухшего геля, второй связан с исходным гелем, а третий относится к чистому растворителю перед смешиванием. Замена $\phi =\phi _{0}/\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}$ приводит к

$f_{\text{mix}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})={\frac {\phi _{0}}{\phi }}[f(\phi )-f(0)]-[f(\phi _{0})-f(0)].$

Обратите внимание, что второй член не зависит от факторов растяжения $\lambda _{1}$, $\lambda _{2}$ и $\lambda _{3}$и, следовательно, могут быть исключены при последующем анализе. Теперь мы используем свободную энергию Флори-Хаггинса для получения раствора полимера в растворителе, который гласит:

$f(\phi )={\frac {kT}{v_{c}}}[{\frac {\phi }{N}}\ln \phi +(1-\phi )\ln(1-\phi )+\chi \phi (1-\phi )],$

где $v_{c}$ – объем мономера, $N$ длина полимерной нити и $\chi$– энергетический параметр Флори-Хаггинса . Поскольку в сети длина полимера фактически бесконечна, мы можем принять предел $N\to \infty$ и $f(\phi )$ сводится к

$f(\phi )={\frac {kT}{v_{c}}}[(1-\phi )\ln(1-\phi )+\chi \phi (1-\phi )].$

Подстановка этого выражения в $f_{\text{mix}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})$ и добавление сетевого вклада приводит к

$f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})={\frac {G_{0}}{2}}(\lambda _{1}^{2}+\lambda _{2}^{2}+\lambda _{3}^{2})+{\frac {\phi _{0}}{\phi }}f(\phi ).$

Это обеспечивает отправную точку для изучения равновесия набухания гелевой сетки, погруженной в растворитель. Можно показать, что набухание геля - это конкуренция двух сил: одна - это осмотическое давление раствора полимера, которое способствует поглощению растворителя и расширению, другая - сила восстановления эластичности полимерной сетки , которая способствует усадке. В состоянии равновесия эти два эффекта в принципе полностью компенсируют друг друга, и связанные с этим эффекты $\lambda _{1}$, $\lambda _{2}$ и $\lambda _{3}$определить равновесный объем геля. При решении уравнения баланса сил часто отдают предпочтение графическим решениям.

В альтернативном масштабном подходе предположим, что изотропный гель растягивается в раз. $\lambda$во всех трех направлениях. В приближении аффинной сети среднеквадратичное расстояние от конца до конца в геле увеличивается по сравнению с начальным. $R_{0}^{2}$ к $(\lambda R_{0})^{2}$ а упругую энергию одной стойки можно записать как

$F_{\text{ela}}\sim kT{\frac {(\lambda R_{0})^{2}}{R_{\text{ref}}^{2}}},$

где $R_{\text{ref}}$представляет собой среднеквадратическое отклонение расстояния между концами одной нити. Тогда модуль геля равен упругой энергии одной нити, умноженной на плотность числа нитей. $\nu =\phi /Nb^{3}$ давать

$G(\phi )\sim {\frac {kT}{b^{3}}}{\frac {\phi }{N}}{\frac {(\lambda R_{0})^{2}}{R_{\text{ref}}^{2}}}.$

Затем этот модуль можно приравнять к осмотическому давлению (путем дифференцирования свободной энергии), чтобы получить то же уравнение, которое мы нашли выше.

Доннана полиэлектролитных

Рассмотрим гидрогель из полиэлектролитов , декорированных слабыми кислотными группами, способными ионизироваться по реакции

${\text{HA}}\rightleftharpoons {\text{A}}^{-}+{\text{H}}^{+}$

погружают в раствор соли физиологической концентрации. Степень ионизации полиэлектролитов помощью затем контролируют с ${\text{pH}}$ и из-за заряженной природы ${\text{H}}^{+}$ и ${\text{A}}^{-}$, электростатические взаимодействия с другими ионами в системах. По сути, это реагирующая система, управляемая кислотно-щелочным равновесием, модулируемая электростатическими эффектами, и актуальная для доставки лекарств морской воды , опреснения и технологий диализа . Благодаря эластичной природе геля дисперсия ${\text{A}}^{-}$ в системе ограничено и, следовательно, произойдет разделение ионов солей и ${\text{H}}^{+}$внутри и снаружи геля, который тесно связан со полиэлектролита степенью ионизации . Это разделение ионов внутри и снаружи геля аналогично распределению ионов через полупроницаемую мембрану в классической теории Доннана , но мембрана здесь не нужна, поскольку ограничение объема геля, налагаемое эластичностью сети, эффективно выполняет свою роль, предотвращая проникновение макроионов. проходят через фиктивную мембрану, позволяя ионам проходить.

Связь между распределением ионов и степенью ионизации полиэлектролита лишь частично обусловлена ​​классической теорией Доннана . В качестве отправной точки мы можем пренебречь электростатическими взаимодействиями между ионами. Затем при равновесии некоторые слабокислотные центры геля диссоциируют с образованием ${\text{A}}^{-}$который электростатически притягивает положительно заряженные ${\text{H}}^{+}$ и катионы солей, что приводит к относительно высокой концентрации ${\text{H}}^{+}$и катионы соли внутри геля. Но поскольку концентрация ${\text{H}}^{+}$локально выше, он подавляет дальнейшую ионизацию кислотных центров. Это явление является предсказанием классической теории Доннана. Однако, что касается электростатических взаимодействий, картина усложняется. Рассмотрим случай двух соседних изначально незаряженных кислотных центров. ${\text{HA}}$ оба диссоциированы с образованием ${\text{A}}^{-}$. Поскольку оба центра заряжены отрицательно, вдоль основной цепи полимера будет происходить отталкивание зарядов, что приводит к растягиванию цепи. Эти затраты энергии высоки как в упругом, так и в электростатическом отношении и, следовательно, подавляют ионизацию. Несмотря на то, что это подавление ионизации качественно похоже на предсказание Доннана, оно отсутствует без учета электростатики и присутствует независимо от разделения ионов. Сочетание обоих эффектов, а также эластичности геля определяет объем геля в равновесии. Из-за сложности связанного кислотно-щелочного равновесия, электростатики и эластичности сети только недавно такая система была правильно воссоздана в компьютерном моделировании .

Гели животного происхождения

Некоторые виды выделяют гели, эффективные в борьбе с паразитами. Например, кит-гринда с длинными плавниками выделяет ферментативный гель, который остается на внешней поверхности этого животного и помогает предотвратить создание колоний других организмов на поверхности тела этих китов.

Гидрогели, естественным образом присутствующие в организме, включают слизь , стекловидное тело глаза, хрящи , сухожилия и сгустки крови . Их вязкоупругая природа приводит к тому, что компонент мягких тканей тела отличается от минеральных твердых тканей скелетной системы. Исследователи активно разрабатывают синтетические технологии замены тканей на основе гидрогелей как для временных имплантатов (разлагаемых), так и для постоянных имплантатов (неразлагаемых). В обзорной статье на эту тему обсуждается использование гидрогелей для замены студенистого ядра , замены хряща и моделей синтетических тканей .

Приложения

подходящий загуститель или гелеобразователь Многие вещества могут образовывать гели, если в их формулу добавить . Такой подход распространен при производстве широкого спектра продукции: от продуктов питания до красок и клеев.

В волоконно-оптической связи мягкий гель, по вязкости напоминающий гель для волос, используется для заполнения пластиковых трубок, содержащих волокна. Основная цель геля — предотвратить проникновение воды в случае повреждения буферной трубки, но гель также защищает волокна от механических повреждений, когда трубка сгибается по углам во время установки или сгибается. Кроме того, гель действует как вспомогательное средство при изготовлении кабеля, удерживая волокна в центре, в то время как материал трубки экструдируется вокруг них.

См. также

• Аэрогель
• 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновая кислота
• Электрофорез в агарозном геле
• Пищевая реология
• Гель-электрофорез
• Гель-фильтрационная хроматография
• Гелевая упаковка
• Гель-проникающая хроматография
• гидроколлоид
• Двойная иммунодиффузия по Оухтерлони
• Паста (реология)
• Электрофорез в полиакриламидном геле
• Радиальная иммунодиффузия
• Силиконовый гель
• Двумерный гель-электрофорез
• Пустота (композиты)
• Мягкая материя

Внешние ссылки

• ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Ксерогель ». дои : 10.1351/goldbook.X06700