Gel - Gel

För annan användning, se Gel (disambiguation) .
En uppvänd flaska med hårgel
Kiselgel

En gel är ett halvfast material som kan ha egenskaper som sträcker sig från mjukt och svagt till hårt och segt. Geler definieras som ett väsentligen utspätt tvärbundet system, som inte uppvisar något flöde när det är i steady-state, även om vätskefasen fortfarande kan diffundera genom detta system. En gel har fenomenologiskt definierats som ett mjukt, fast eller fastliknande material bestående av två eller flera komponenter, varav en är en vätska, närvarande i betydande mängd.

I vikt är geler mestadels flytande, men de beter sig som fasta ämnen på grund av ett tredimensionellt tvärbundet nätverk i vätskan. Det är tvärbindningen inuti vätskan som ger en gel dess struktur (hårdhet) och bidrar till vidhäftningspinnen ( klibb ). På detta sätt är geler en dispersion av molekyler av en vätska i ett fast medium. Ordet gel myntades av den skotska kemisten Thomas Graham från 1800-talet genom att klippa ur gelatin .

Processen att bilda en gel kallas gelering .

IUPAC definition

Se även: International Union of Pure and Applied Chemistry
Gel
Icke -flytande kolloidalt nätverk eller polymernätverk som expanderas över hela sin volym med en vätska.
Anmärkning 1: En gel har en begränsad, vanligtvis ganska liten sträckgräns.
Not 2: En gel kan innehålla:
  1. ett kovalent polymernätverk, t.ex. ett nätverk bildat genom tvärbindning av polymerkedjor eller genom olinjär polymerisation;
  2. ett polymernätverk som bildas genom den fysiska aggregeringen av polymerkedjor, orsakade av vätebindningar, kristallisation, spiralbildning, komplexering, etc., som resulterar i regioner av lokal ordning som fungerar som nätverkskopplingspunkter. Det resulterande svullna nätverket kan kallas en "termoreversibel gel" om regionerna av lokal ordning är termiskt reversibla;
  3. ett polymernätverk bildat genom glasartade förbindningspunkter, t.ex. ett baserat på blocksampolymerer. Om förbindningspunkterna är termiskt reversibla glasartade domäner kan det resulterande svullna nätverket också kallas en termoreversibel gel;
  4. lamellära strukturer inklusive mesofaser {Sing et al. definierar lamellkristall och mesofas}, t.ex. tvålgeler, fosfolipider och leror;
  5. partikel oordnade strukturer, t ex en flockig fällning vanligtvis bestående av partiklar med stor geometrisk anisotropi, såsom vid V 2 O 5 geler och globulär eller fibrillära proteingeler.
Not 3: Korrigerad från guldboken där definitionen går via egenskapen som identifieras i not 1 (ovan) snarare än av de strukturella egenskaper som beskriver en gel.
Hydrogel
Gel där svällningsmedlet är vatten.
Not 1: Nätverkskomponenten i en hydrogel är vanligtvis ett polymernätverk.
Anmärkning 2: En hydrogel i vilken nätverkskomponenten är ett kolloidalt nätverk kan kallas en aquagel.
Xerogel
Öppet nätverk som bildas genom avlägsnande av alla svällande medel från en gel.
Obs: Exempel på xerogeler inkluderar kiselgel och uttorkade, kompakta makromolekylära strukturer som gelatin eller gummi.
Modifierad från guldboken. Definitionen som föreslås här rekommenderas som mer tydlig.

Sammansättning

Geler består av ett fast tredimensionellt nätverk som spänner över volymen av ett flytande medium och förtrycker det genom ytspänningseffekter . Denna interna nätverksstruktur kan bero på fysiska bindningar (fysiska geler) eller kemiska bindningar (kemiska geler), samt kristalliter eller andra övergångar som förblir intakta i den utsträckande vätskan. Nästan vilken vätska som helst kan användas som förlängare inklusive vatten ( hydrogeler ), olja och luft ( aerogel ). Både i vikt och volym är gelerna mestadels flytande i sammansättning och uppvisar sålunda densiteter liknande dem för deras bestående vätskor. Ätbar gelé är ett vanligt exempel på en hydrogel och har ungefär densiteten av vatten.

Polyjoniska polymerer

Polyjoniska polymerer är polymerer med en jonisk funktionell grupp. De joniska laddningarna förhindrar bildandet av tätt lindade polymerkedjor. Detta gör att de kan bidra mer till viskositeten i sitt sträckta tillstånd, eftersom den utsträckta polymeren tar mer plats. Detta är också anledningen till att gel härdar. Se polyelektrolyt för mer information.

Typer

Hydrogels

Huvudartikel: Hydrogel
Se även: Superabsorberande polymer , Självläkande hydrogeler och Hydrogel-jordbruk
Hydrogel av en superabsorberande polymer

En hydrogel är ett nätverk av polymerkedjor som är hydrofila, som ibland finns som en kolloidal gel i vilken vatten är dispersionsmediet. Ett tredimensionellt fast material resulterar i att de hydrofila polymerkedjorna hålls samman genom tvärbindningar. På grund av de inneboende tvärbindningarna upplöses inte hydrogelnätets strukturella integritet från den höga koncentrationen av vatten. Hydrogels är mycket absorberande (de kan innehålla över 90% vatten) naturliga eller syntetiska polymera nätverk. Hydrogels har också en viss flexibilitet som liknar naturlig vävnad på grund av deras betydande vattenhalt. Som lyhörda " smarta material " kan hydrogelar inkapsla kemiska system som vid stimulering av yttre faktorer såsom pH-förändring kan leda till att specifika föreningar som glukos frigörs till miljön, i de flesta fall genom en gel-sol-övergång till vätskan stat. Kemomekaniska polymerer är mestadels också hydrogeler, som vid stimulering ändrar sin volym och kan fungera som ställdon eller sensorer . Det första uppträdandet av termen 'hydrogel' i litteraturen var 1894.

Organogeler

Se även: Organogels

En organogel är ett icke-kristallint , icke-glasigt termoreversibelt ( termoplastiskt ) fast material bestående av en flytande organisk fas som är infångad i ett tredimensionellt tvärbundet nätverk. Vätskan kan till exempel vara ett organiskt lösningsmedel , mineralolja eller vegetabilisk olja . De löslighets- och partikeldimensioner av strukturmedlet är viktiga egenskaper för de elastiska egenskaperna och fasthet hos organogelen. Ofta är dessa system baserade på självmontering av de strukturerande molekylerna. (Ett exempel på bildandet av ett oönskat termoreversibelt nätverk är förekomsten av vaxkristallisation i petroleum .)

Organogels har potential att användas i ett antal applikationer, till exempel inom läkemedel , kosmetika, konstskydd och livsmedel.

Xerogels

En xerogel / z ɪər oʊ ˌ dʒ ɛ l / är en fast substans bildades från en gel genom torkning med obehindrat krympning. Xerogels behåller vanligtvis hög porositet (15–50%) och enorm yta (150–900 m 2 /g), tillsammans med mycket liten porstorlek (1–10 nm). När lösningsmedelsborttagning sker under superkritiska förhållanden krymper inte nätet och ett mycket poröst material med låg densitet, känt som en aerogel, produceras. Värmebehandling av en xerogel vid förhöjd temperatur ger viskös sintring (krympning av xerogeln på grund av en liten mängd visköst flöde) vilket resulterar i ett tätare och mer robust fast ämne, uppnådd densitet och porositet beror på sintringsförhållandena.

Nanokomposit hydrogeler

Nanokomposithydrogeler eller hybridhydrogeler är höghydrerade polymera nätverk, antingen fysiskt eller kovalent tvärbundna med varandra och/eller med nanopartiklar eller nanostrukturer. Nanokomposithydrogeler kan efterlikna inhemska vävnadsegenskaper, struktur och mikromiljö på grund av deras hydrerade och sammankopplade porösa struktur. Ett brett spektrum av nanopartiklar, såsom kolbaserade, polymera, keramiska och metalliska nanomaterial kan införlivas i hydrogelstrukturen för att erhålla nanokompositer med skräddarsydd funktionalitet. Nanokomposithydrogeler kan konstrueras för att ha överlägsna fysiska, kemiska, elektriska, termiska och biologiska egenskaper.

Egenskaper

Många geler visar tixotropi - de blir flytande vid omrörning, men fastnar vid vila. I allmänhet är geler tydligen fasta, geléliknande material. Det är en typ av icke-newtonsk vätska . Genom att ersätta vätskan med gas är det möjligt att förbereda aerogeler , material med exceptionella egenskaper, inklusive mycket låg densitet, höga specifika ytor och utmärkta värmeisoleringsegenskaper.

Djurproducerade geler

Vissa arter utsöndrar geler som är effektiva vid parasitbekämpning. Till exempel utsöndrar den långfenade pilotvalen en enzymatisk gel som vilar på djurets yttre yta och hjälper till att förhindra att andra organismer etablerar kolonier på ytan av dessa valars kroppar.

Hydrogener som finns naturligt i kroppen inkluderar slem , glasögon i ögat, brosk , senor och blodproppar . Deras viskoelastiska natur resulterar i kroppens mjukvävnadskomponent, som skiljer sig från den mineralbaserade hårda vävnaden i skelettsystemet. Forskare utvecklar aktivt syntetiskt härledd vävnadsersättningsteknik som härrör från hydrogeler, för både tillfälliga implantat (nedbrytbara) och permanenta implantat (icke-nedbrytbara). En översiktsartikel om ämnet diskuterar användningen av hydrogeler för nucleus pulposus -ersättning, broskbyte och syntetiska vävnadsmodeller .

Ansökningar

Många ämnen kan bilda geler när ett lämpligt förtjockningsmedel eller gelmedel tillsätts till deras formel. Detta tillvägagångssätt är vanligt vid tillverkning av ett brett utbud av produkter, från livsmedel till färger och lim.

I fiberoptisk kommunikation används en mjuk gel som liknar hårgelé i viskositet för att fylla plaströren som innehåller fibrerna. Huvudsyftet med gelén är att förhindra inträngande av vatten om buffertröret bryts, men gelén buffrar också fibrerna mot mekanisk skada när röret böjs runt hörnen under installationen eller böjs. Dessutom fungerar gelén som ett bearbetningshjälpmedel när kabeln konstrueras, vilket håller fibrerna centrala medan rörmaterialet extruderas runt det.

Se även

Referenser

externa länkar