Gel

Líquido muy viscoso que presenta una especie de comportamiento semisólido.

Un frasco de gel para el cabello volteado

gel de sílice

Un gel es un semisólido que puede tener propiedades que van desde suaves y débiles hasta duras y resistentes. ^{[1] [2]} Los geles se definen como un sistema reticulado sustancialmente diluido , que no muestra flujo cuando está en estado estacionario, aunque la fase líquida aún puede difundirse a través de este sistema. ^[3] Un gel se ha definido fenomenológicamente como un material blando, sólido o similar a un sólido que consta de dos o más componentes, uno de los cuales es un líquido, presente en una cantidad sustancial. ^[4]

Definición IUPAC de gel

Los geles son en su mayoría líquidos en masa , pero se comportan como sólidos debido a una red tridimensional entrecruzada dentro del líquido. Es la reticulación dentro del fluido lo que le da al gel su estructura (dureza) y contribuye a la adherencia del adhesivo ( pegajosidad ). De esta forma, los geles son una dispersión de moléculas de un líquido dentro de un medio sólido. La palabra gel fue acuñada por el químico escocés del siglo XIX Thomas Graham recortando gelatina . ^[5]

El proceso de formación de un gel se llama gelificación .

Composición

Los geles consisten en una red tridimensional sólida que abarca el volumen de un medio líquido y lo atrapa mediante efectos de tensión superficial . Esta estructura de red interna puede resultar de enlaces físicos como entrelazamientos de cadenas de polímeros (ver polímeros ) (geles físicos) o enlaces químicos como enlaces disulfuro (ver tiómeros ) (geles químicos), así como cristalitos u otras uniones que permanecen intactas dentro de la estructura. extender el fluido. Prácticamente cualquier fluido se puede utilizar como diluyente, incluido agua ( hidrogeles ), aceite y aire ( aerogel ). Tanto en peso como en volumen, los geles tienen en su mayoría una composición fluida y, por lo tanto, exhiben densidades similares a las de los líquidos que los constituyen. La gelatina comestible es un ejemplo común de hidrogel y tiene aproximadamente la densidad del agua.

Polímeros poliiónicos

Los polímeros poliiónicos son polímeros con un grupo funcional iónico. Las cargas iónicas impiden la formación de cadenas poliméricas muy enrolladas. Esto les permite contribuir más a la viscosidad en su estado estirado, porque el polímero estirado ocupa más espacio. Esta es también la razón por la que el gel se endurece. Consulte polielectrolito para obtener más información.

Tipos

geles coloidales

Un gel coloidal consiste en una red filtrada de partículas en un medio fluido, ^[6] que proporciona propiedades mecánicas ^[7] , en particular el aumento del comportamiento elástico. ^[8] Las partículas pueden mostrar interacciones atractivas a través del agotamiento osmótico o mediante enlaces poliméricos. ^[9]

Los geles coloidales tienen tres fases en su vida útil: gelificación, envejecimiento y colapso. ^{[10] [11]} El gel se forma inicialmente mediante el ensamblaje de partículas en una red que se extiende por el espacio, lo que lleva a una detención de fase. En la fase de envejecimiento, las partículas se reorganizan lentamente para formar hebras más gruesas, aumentando la elasticidad del material. Los geles también pueden colapsarse y separarse mediante campos externos como la gravedad. ^[12] Los geles coloidales muestran una reología de respuesta lineal en amplitudes bajas. ^[13] Estos materiales se han explorado como candidatos para una matriz de liberación de fármacos. ^[14]

Hidrogeles

Hidrogel de un polímero superabsorbente

Un hidrogel es una red de cadenas poliméricas que son hidrófilas, a veces encontradas como un gel coloidal en el que el agua es el medio de dispersión. Un sólido tridimensional resulta de las cadenas de polímeros hidrófilos que se mantienen unidas mediante enlaces cruzados. ^{[ se necesita aclaración ]} Debido a los enlaces cruzados inherentes, la integridad estructural de la red de hidrogel no se disuelve debido a la alta concentración de agua. ^[15] Los hidrogeles son redes poliméricas naturales o sintéticas altamente absorbentes (pueden contener más del 90% de agua). Los hidrogeles también poseen un grado de flexibilidad muy similar al tejido natural, debido a su importante contenido en agua. Como " materiales inteligentes " sensibles , los hidrogeles pueden encapsular sistemas químicos que, tras la estimulación de factores externos, como un cambio de pH, pueden provocar la liberación de compuestos específicos, como la glucosa, al medio ambiente, en la mayoría de los casos mediante una transición gel-sol al líquido. estado. ^[16] Los polímeros quimiomecánicos son en su mayoría también hidrogeles, que tras la estimulación cambian su volumen y pueden servir como actuadores o sensores . La primera aparición del término "hidrogel" en la literatura fue en 1894. ^[17]

Definición IUPAC de gel polimérico

organogeles

Un organogel es un material sólido termorreversible ( termoplástico ) no cristalino , no vítreo, compuesto de una fase orgánica líquida atrapada en una red tridimensional reticulada. El líquido puede ser, por ejemplo, un disolvente orgánico , un aceite mineral o un aceite vegetal . La solubilidad y las dimensiones de las partículas del estructurante son características importantes para las propiedades elásticas y la firmeza del organogel. A menudo, estos sistemas se basan en el autoensamblaje de las moléculas estructurantes. ^{[18] [19]} (Un ejemplo de formación de una red termorreversible no deseada es la cristalización de cera en el petróleo . ^[20] )

Los organogeles tienen potencial para su uso en una serie de aplicaciones, como en productos farmacéuticos , ^[21] cosméticos, conservación de arte, ^[22] y alimentos. ^[23]

Xerogeles

https://doi.org/10.1351/goldbook.X0670.

Un xerogel / ˈ z ɪər oʊ ˌ dʒ ɛ l / es un sólido formado a partir de un gel mediante secado con contracción sin obstáculos. Los xerogeles suelen conservar una alta porosidad (15–50%) y una enorme superficie (150–900 m ² /g), junto con un tamaño de poro muy pequeño (1–10 nm). Cuando la eliminación del disolvente se produce en condiciones supercríticas , la red no se encoge y se produce un material muy poroso y de baja densidad conocido como aerogel . El tratamiento térmico de un xerogel a temperatura elevada produce una sinterización viscosa (contracción del xerogel debido a una pequeña cantidad de flujo viscoso) que da como resultado un sólido más denso y robusto; la densidad y la porosidad conseguidas dependen de las condiciones de sinterización.

Hidrogeles nanocompuestos

Los hidrogeles nanocompuestos ^{[24] [25]} o hidrogeles híbridos, son redes poliméricas altamente hidratadas, ya sea física o covalentemente reticuladas entre sí y/o con nanopartículas o nanoestructuras. ^[26] Los hidrogeles nanocompuestos pueden imitar las propiedades, la estructura y el microambiente del tejido nativo debido a su estructura porosa hidratada e interconectada. Se puede incorporar una amplia gama de nanopartículas, como nanomateriales a base de carbono, poliméricos, cerámicos y metálicos, dentro de la estructura del hidrogel para obtener nanocompuestos con una funcionalidad personalizada. Los hidrogeles nanocompuestos pueden diseñarse para poseer propiedades físicas, químicas, eléctricas, térmicas y biológicas superiores. ^{[24] [27]}

Propiedades

Muchos geles muestran tixotropía : se vuelven fluidos cuando se agitan, pero se vuelven a solidificar cuando descansan. En general, los geles son materiales aparentemente sólidos y gelatinosos. Es un tipo de fluido no newtoniano . Al sustituir el líquido por gas es posible preparar aerogeles , materiales con propiedades excepcionales que incluyen densidades muy bajas, superficies específicas elevadas y excelentes propiedades de aislamiento térmico.

Termodinámica de la deformación del gel.

Un gel es, en esencia, la mezcla de una red polimérica y una fase disolvente . Al estirarse, los enlaces cruzados de la red se separan más entre sí. Debido a que las hebras de polímero entre los enlaces cruzados actúan como resortes entrópicos , los geles demuestran elasticidad como el caucho (que es solo una red de polímero, sin solvente). Esto se debe a que la penalización de energía libre para estirar los monómeros de un segmento de polímero ideal de tamaño entre enlaces cruzados hasta una distancia de extremo a extremo está dada aproximadamente por ^[28] ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle R}$

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

Este es el origen de la elasticidad tanto del gel como del caucho . Pero una diferencia clave es que el gel contiene una fase solvente adicional y, por lo tanto, es capaz de tener cambios de volumen significativos bajo deformación al absorber y eliminar solvente. Por ejemplo, un gel podría hincharse hasta varias veces su volumen inicial después de sumergirlo en un disolvente después de alcanzar el equilibrio. Este es el fenómeno de la hinchazón del gel. Por el contrario, si sacamos el gel hinchado y dejamos que el disolvente se evapore, el gel se encogerá hasta aproximadamente su tamaño original. Este cambio de volumen del gel se puede introducir alternativamente aplicando fuerzas externas. Si se aplica una tensión de compresión uniaxial a un gel, parte del disolvente contenido en el gel se expulsará y el gel se contraerá en la dirección de la tensión aplicada. Para estudiar el estado mecánico del gel en equilibrio, un buen punto de partida es considerar un gel cúbico de volumen que se estira por factores y en las tres direcciones ortogonales durante el hinchamiento después de ser sumergido en una fase solvente de volumen inicial . Entonces se calcula el volumen final deformado del gel y se supone que el volumen total del sistema es constante durante el proceso de hinchamiento para simplificar el tratamiento. El estado hinchado del gel ahora está completamente caracterizado por factores de estiramiento y , por lo tanto, es interesante derivar la energía libre de deformación en función de ellos, denotada como . Por analogía con el tratamiento histórico de la elasticidad del caucho y la mezcla de energía libre, la mayoría de las veces se define como la diferencia de energía libre antes y después del hinchamiento normalizado por el volumen inicial del gel , es decir, una diferencia de densidad de energía libre. La forma de naturalmente asume dos contribuciones de orígenes físicos radicalmente diferentes, una está asociada con la deformación elástica de la red polimérica y la otra con la mezcla de la red con el solvente. Por lo tanto, escribimos ^[29] ${\displaystyle V_{0}}$ ${\displaystyle \lambda _{1}}$ ${\displaystyle \lambda _{2}}$ ${\displaystyle \lambda _{3}}$ ${\displaystyle V_{s0}}$ ${\displaystyle \lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}V_{0}}$ ${\displaystyle V_{0}+V_{s0}}$ ${\displaystyle \lambda _{1}}$ ${\displaystyle \lambda _{2}}$ ${\displaystyle \lambda _{3}}$ ${\displaystyle f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})}$ ${\displaystyle f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})}$ ${\displaystyle V_{0}}$ ${\displaystyle f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})}$

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

Ahora consideraremos las dos contribuciones por separado. El término de deformación elástica del polímero es independiente de la fase disolvente y tiene la misma expresión que un caucho, como se deriva de la teoría de la elasticidad del caucho de Kuhn :

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

donde denota el módulo de corte del estado inicial. Por otro lado, el término de mezcla suele tratarse mediante la energía libre de Flory-Huggins de soluciones poliméricas concentradas , donde es la fracción en volumen del polímero. Supongamos que el gel inicial tiene una fracción de volumen de polímero de , la fracción de volumen de polímero después del hinchamiento sería ya que el número de monómeros permanece igual mientras que el volumen del gel ha aumentado en un factor de . A medida que la fracción de volumen del polímero disminuye de a , una solución de polímero de concentración y volumen se mezcla con un disolvente puro de volumen para convertirse en una solución con concentración y volumen de polímero . El cambio de densidad de energía libre en este paso de mezcla se da como ${\displaystyle G_{0}}$ ${\displaystyle f_{\text{mix}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})}$ ${\displaystyle f(\phi )}$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle \phi _{0}}$ ${\displaystyle \phi =\phi _{0}/\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}}$ ${\displaystyle \lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}}$ ${\displaystyle \phi _{0}}$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle \phi _{0}}$ ${\displaystyle V_{0}}$ ${\displaystyle (\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}-1)V_{0}}$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle \lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}V_{0}}$

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

donde en el lado derecho, el primer término es la densidad de energía de Flory-Huggins del gel hinchado final, el segundo está asociado con el gel inicial y el tercero es del solvente puro antes de mezclar. Sustitución de cables a ${\displaystyle \phi =\phi _{0}/\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}}$

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

Tenga en cuenta que el segundo término es independiente de los factores de estiramiento y , por lo tanto, puede eliminarse en análisis posteriores. Ahora utilizamos la energía libre de Flory-Huggins para una solución de polímero-solvente que dice ^[30] ${\displaystyle \lambda _{1}}$ ${\displaystyle \lambda _{2}}$ ${\displaystyle \lambda _{3}}$

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

donde es el volumen del monómero, es la longitud de la hebra del polímero y es el parámetro de energía de Flory-Huggins . Debido a que en una red, la longitud del polímero es efectivamente infinita, podemos tomar el límite y reducirlo a ${\displaystyle v_{c}}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \chi }$ ${\displaystyle N\to \infty }$ ${\displaystyle f(\phi )}$

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

La sustitución de esta expresión y la adición de la contribución de la red conduce a ^[29] ${\displaystyle f_{\text{mix}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})}$

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

Esto proporciona el punto de partida para examinar el equilibrio de hinchamiento de una red de gel sumergida en disolvente. Se puede demostrar que el hinchamiento del gel es la competencia entre dos fuerzas, una es la presión osmótica de la solución polimérica que favorece la absorción de solvente y la expansión, la otra es la fuerza restauradora de la elasticidad de la red polimérica que favorece la contracción. En el equilibrio, los dos efectos se anulan exactamente entre sí en principio y los efectos asociados , y definen el volumen del gel en equilibrio. Para resolver la ecuación de equilibrio de fuerzas, a menudo se prefieren las soluciones gráficas. ${\displaystyle \lambda _{1}}$ ${\displaystyle \lambda _{2}}$ ${\displaystyle \lambda _{3}}$

En un enfoque alternativo de escalamiento, supongamos que un gel isotrópico se estira por un factor de en las tres direcciones. Bajo la aproximación de red afín , la distancia media cuadrática de extremo a extremo en el gel aumenta desde el inicial hasta y la energía elástica de un soporte se puede escribir como ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle R_{0}^{2}}$ ${\displaystyle (\lambda R_{0})^{2}}$

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

donde es la fluctuación cuadrática media en la distancia de un extremo a otro de una hebra. El módulo del gel es entonces esta energía elástica de una sola hebra multiplicada por la densidad del número de hebras para dar ^[28] ${\displaystyle R_{\text{ref}}}$ ${\displaystyle \nu =\phi /Nb^{3}}$

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

Luego, este módulo se puede equiparar a la presión osmótica (mediante la diferenciación de la energía libre) para obtener la misma ecuación que encontramos anteriormente.

Equilibrio de Donnan modificado de geles de polielectrolitos.

Considere un hidrogel hecho de polielectrolitos decorados con grupos ácidos débiles que pueden ionizarse según la reacción.

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

Se sumerge en una solución salina de concentración fisiológica. El grado de ionización de los polielectrolitos está entonces controlado por la naturaleza cargada de las interacciones electrostáticas con otros iones en los sistemas. Se trata efectivamente de un sistema de reacción regido por el equilibrio ácido-base modulado por efectos electrostáticos, y es relevante en la administración de fármacos , la desalinización de agua de mar y las tecnologías de diálisis . Debido a la naturaleza elástica del gel, la dispersión en el sistema está limitada y, por lo tanto, habrá una partición de los iones de sales dentro y fuera del gel, que está íntimamente ligada al grado de ionización del polielectrolito . Esta partición de iones dentro y fuera del gel es análoga a la partición de iones a través de una membrana semipemerable en la teoría clásica de Donnan , pero aquí no se necesita una membrana porque la restricción de volumen del gel impuesta por la elasticidad de la red desempeña efectivamente su papel, al impedir que los macroiones se dispersen. pasar a través de la membrana ficticia permitiendo el paso de los iones. ^[31] ${\displaystyle {\text{pH}}}$ ${\displaystyle {\text{H}}^{+}}$ ${\displaystyle {\text{A}}^{-}}$ ${\displaystyle {\text{A}}^{-}}$ ${\displaystyle {\text{H}}^{+}}$

El acoplamiento entre la partición iónica y el grado de ionización del polielectrolito se debe sólo parcialmente a la teoría clásica de Donnan . Como punto de partida podemos ignorar las interacciones electrostáticas entre iones. Luego, en el equilibrio, algunos de los sitios ácidos débiles en el gel se disociarían para formar una atracción electrostática que atrae cationes cargados positivamente y sal, lo que lleva a una concentración relativamente alta de cationes sal dentro del gel. Pero debido a que la concentración es localmente mayor, se suprime la ionización adicional de los sitios ácidos. Este fenómeno es la predicción de la teoría clásica de Donnan. ^[32] Sin embargo, con las interacciones electrostáticas, el panorama presenta más complicaciones. Considere el caso de dos sitios ácidos adyacentes, inicialmente sin carga, que se disocian para formar . Dado que los dos sitios están cargados negativamente, habrá una repulsión de carga a lo largo de la columna vertebral del polímero que tiende a estirar la cadena. Este coste energético es elevado tanto desde el punto de vista elástico como electrostático y, por tanto, suprime la ionización. Aunque esta supresión de ionización es cualitativamente similar a la de la predicción de Donnan, está ausente sin consideración electrostática y está presente independientemente de la partición de iones. La combinación de ambos efectos así como la elasticidad del gel determina el volumen del gel en equilibrio. ^[31] Debido a la complejidad del equilibrio ácido-base acoplado, la electrostática y la elasticidad de la red, sólo recientemente dicho sistema se ha recreado correctamente en simulaciones por computadora . ^{[31] [33]} ${\displaystyle {\text{A}}^{-}}$ ${\displaystyle {\text{H}}^{+}}$ ${\displaystyle {\text{H}}^{+}}$ ${\displaystyle {\text{H}}^{+}}$ ${\displaystyle {\text{HA}}}$ ${\displaystyle {\text{A}}^{-}}$

Geles de origen animal

Algunas especies secretan geles que son eficaces en el control de parásitos. Por ejemplo, el calderón de aleta larga segrega un gel enzimático que se deposita en la superficie exterior de este animal y ayuda a evitar que otros organismos establezcan colonias en la superficie de los cuerpos de estas ballenas. ^[34]

Los hidrogeles que existen naturalmente en el cuerpo incluyen el moco , el humor vítreo del ojo, los cartílagos , los tendones y los coágulos de sangre . Su naturaleza viscoelástica da como resultado el componente de tejido blando del cuerpo, diferente del tejido duro de base mineral del sistema esquelético. Los investigadores están desarrollando activamente tecnologías de reemplazo de tejidos derivadas sintéticamente de hidrogeles, tanto para implantes temporales (degradables) como para implantes permanentes (no degradables). Un artículo de revisión sobre el tema analiza el uso de hidrogeles para el reemplazo del núcleo pulposo , el reemplazo de cartílago y modelos de tejido sintético . ^[35]

Aplicaciones

Muchas sustancias pueden formar geles cuando se añade a su fórmula un espesante o agente gelificante adecuado. Este enfoque es común en la fabricación de una amplia gama de productos, desde alimentos hasta pinturas y adhesivos.

En las comunicaciones de fibra óptica, se utiliza un gel suave que se asemeja a un gel para el cabello en viscosidad para llenar los tubos de plástico que contienen las fibras. El objetivo principal del gel es evitar la intrusión de agua si se rompe el tubo protector, pero el gel también protege las fibras contra daños mecánicos cuando el tubo se dobla en las esquinas durante la instalación o se flexiona. Además, el gel actúa como ayuda de procesamiento cuando se construye el cable, manteniendo las fibras en el centro mientras el material del tubo se extruye a su alrededor.

Ver también

• aerogel
• Ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico
• Electroforesis en gel de agarosa
• Reología alimentaria
• Electroforesis en gel
• Cromatografía de filtración en gel
• paquete de gel
• Cromatografía de exclusión molecular
• hidrocoloide
• Inmunodifusión doble de Ouchterlony
• Pasta (reología)
• Electroforesis en gel de poliacrilamida.
• Inmunodifusión radial
• gel de silicona
• Electroforesis en gel bidimensional.
• Vacío (compuestos)
• Materia blanda

Referencias

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enlaces externos

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