Введение
Высоковязкая жидкость, демонстрирующая некое полутвердое поведение.
Гель – это полутвердое вещество, свойства которого могут варьироваться от мягких и слабых до твердых и прочных. Гели определяются как существенно разбавленная система с поперечными связями, которая не течет в стационарном состоянии, хотя жидкая фаза все еще может диффундировать сквозь эту систему. Гели в основном состоят из жидкости по массе, однако ведут себя как твердые тела благодаря трехмерной сети поперечных связей внутри жидкости. Именно поперечные связи в жидкости придают гелю его структуру (твердость) и способствуют адгезионной липкости (тактичности). Таким образом, гели представляют собой дисперсию молекул жидкости в твердой среде. Термин "гель" был введен шотландским химиком Томасом Грэмом в XIX веке, образовав его от слова "желатин". Процесс образования геля называется геляцией.
Состав
Гели состоят из твердой трехмерной сети, пронизывающей объем жидкой среды и удерживающей ее благодаря эффектам поверхностного натяжения. Эта внутренняя сетевая структура может быть обусловлена физическими связями, такими как переплетение полимерных цепей (см. Полимеры) (физические гели), или химическими связями, такими как дисульфидные связи (см. Тиомеры) (химические гели), а также кристаллитами или другими соединениями, сохраняющими целостность в протяженной жидкости. В качестве жидкости-носителя можно использовать практически любую жидкость, включая воду (гидрогели), масло и воздух (аэрогель). По весу и объему гели преимущественно состоят из жидкости и, следовательно, имеют плотность, близкую к плотности составляющих их жидкостей. Пищевое желе – распространенный пример гидрогеля, плотность которого примерно равна плотности воды.
Полиионные полимеры
Полиионные полимеры – это полимеры, содержащие ионную функциональную группу. Ионные заряды препятствуют формированию плотно свернутых полимерных цепей. Благодаря этому они эффективнее повышают вязкость в растянутом состоянии, поскольку растянутая полимерная цепь занимает больший объем. Именно поэтому гель и затвердевает. Подробнее см. в статье "Полиэлектролит".
Коллоидные гели
Коллоидный гель состоит из проницаемой сети частиц в жидкой среде, обеспечивающей механические свойства, в частности, проявление упругого поведения. Частицы могут проявлять притягательные взаимодействия посредством осмотического истощения или полимерных связей. Коллоидные гели проходят три фазы в процессе своего существования: гелеобразование, старение и разрушение. Гель первоначально формируется в результате сборки частиц в пространственную сеть, что приводит к остановке фазового перехода. На стадии старения частицы медленно перестраиваются, образуя более толстые волокна, увеличивая эластичность материала. Гели также могут разрушаться и разделяться под воздействием внешних полей, таких как гравитация. Коллоидные гели демонстрируют линейную реологию при малых амплитудах. Эти материалы изучались в качестве кандидатов для матриц контролируемого высвобождения лекарственных средств.
Гидрогели
Гидрогель – это сеть полимерных цепей, обладающих гидрофильными свойствами, и иногда встречающаяся в виде коллоидного геля, в котором вода выступает в качестве дисперсионной среды. Трехмерное твердое тело формируется благодаря удерживанию гидрофильных полимерных цепей посредством поперечных связей. Благодаря этим внутренним связям, структурная целостность гидрогелевой сети сохраняется даже при высокой концентрации воды и не растворяется в ней. Гидрогели характеризуются высокой поглотительной способностью (могут содержать более 90% воды) и представляют собой природные или синтетические полимерные сети. Благодаря значительному содержанию воды, гидрогели обладают гибкостью, сопоставимой с гибкостью природных тканей. Как "умные материалы", гидрогели способны заключать в себя химические системы, которые при воздействии внешних факторов, таких как изменение pH, могут высвобождать в окружающую среду определенные соединения, например, глюкозу, чаще всего посредством перехода геля в золь – жидкое состояние. Хемомеханические полимеры, как правило, также являются гидрогелями, которые при стимуляции изменяют свой объем и могут использоваться в качестве приводов или датчиков. Впервые термин "гидрогель" был использован в научной литературе в 1894 году.
Органогели
Органогель – некристаллический, нестекловидный термореверсивный (термопластичный) твердый материал, состоящий из жидкой органической фазы, заключенной в трехмерно сшитую сеть. Жидкой фазой может быть, например, органический растворитель, минеральное масло или растительное масло. Растворимость и размеры частиц структурообразователя являются важными характеристиками, определяющими эластичные свойства и твердость органогеля. Зачастую эти системы формируются посредством самосборки молекул структурообразователя. (Примером образования нежелательной термореверсивной сети служит кристаллизация воска в нефти.) Органогели обладают потенциалом для применения в различных областях, таких как фармацевтика, косметика, консервация произведений искусства и пищевая промышленность.
Ксерогели
Ксерогель – твердое вещество, образующееся из геля при сушке с минимальной усадкой. Ксерогели обычно сохраняют высокую пористость (15–50%) и огромную площадь поверхности (150–900 м²/г), а также очень малый размер пор (1–10 нм). При удалении растворителя в сверхкритических условиях структура не сжимается и образуется высокопористый материал низкой плотности, известный как аэрогель. Термическая обработка ксерогеля при повышенной температуре приводит к вязкому спеканию (усадке ксерогеля из-за незначительного вязкого течения), в результате чего получается более плотное и прочное твердое вещество, плотность и пористость которого зависят от условий спекания.
Нанокомпозитные гидрогели
Нанокомпозитные гидрогели или гибридные гидрогели – это высокогидратированные полимерные сети, сшитые физически или ковалентно друг с другом и/или с наночастицами или наноструктурами. Благодаря своей гидратированной и взаимосвязанной пористой структуре, нанокомпозитные гидрогели способны имитировать свойства, структуру и микроокружение живых тканей. В структуру гидрогеля можно включать широкий спектр наночастиц, таких как углеродные, полимерные, керамические и металлические наноматериалы, для получения нанокомпозитов с заданными функциональными характеристиками. Нанокомпозитные гидрогели могут быть созданы с улучшенными физическими, химическими, электрическими, термическими и биологическими свойствами.
Свойства
Многие гели демонстрируют тиксотропию – они становятся текучими при перемешивании, но снова затвердевают в состоянии покоя. В общем, гели выглядят как твердые, желеобразные материалы. Это тип жидкости, не подчиняющейся закону Ньютона. Заменяя жидкость газом, можно получить аэрогели – материалы с исключительными свойствами, включая очень низкую плотность, большую удельную поверхность и превосходные теплоизоляционные характеристики.
Животные гели
Некоторые виды секретируют гели, эффективные для борьбы с паразитами. Например, длинноперый пилотный кит выделяет ферментативный гель, который покрывает внешнюю поверхность этого животного и помогает предотвратить образование колоний другими организмами на поверхности тела китов. Гидрогели, естественно существующие в организме, включают слизь, стекловидное тело глаза, хрящ, сухожилия и кровяные сгустки. Их вязкоупругие свойства обуславливают мягкие ткани организма, отличные от минеральных твердых тканей скелетной системы. Исследователи активно разрабатывают технологии замены тканей, полученные синтетическим путем из гидрогелей, как для временных имплантатов (разлагаемых), так и для постоянных имплантатов (неразлагаемых). В обзорной статье по данной теме обсуждается применение гидрогелей для замены ядра межпозвоночного диска, замены хряща и создания синтетических моделей тканей.
Приложения
Многие вещества могут образовывать гели при добавлении в их состав подходящего загустителя или гелеобразователя. Этот подход широко используется при производстве разнообразных продуктов – от пищевых продуктов до красок и клеев. В волоконно-оптических системах связи мягкий гель, по консистенции напоминающий гель для волос, применяется для заполнения пластиковых труб, содержащих оптические волокна. Основная задача геля – предотвратить попадание воды внутрь, если оболочка трубы повреждена, но он также защищает волокна от механических повреждений при изгибе трубы во время монтажа или при ее деформации. Кроме того, гель облегчает процесс изготовления кабеля, удерживая волокна в центре при экструзии материала трубы вокруг них.