Gel (col·loide)

Un gel és un material sòlid gelatinós considerat un col·loide. Els gels es defineixen com un sistema substancialment dissolt, el qual no exhibeix fluïdesa quan es troba en el seu estat estàtic. Per pes, els gels són principalment líquids, encara que es comporten com a sòlid per la seua xarxa tridimensional reticulada. És aquesta retícula en el fluid el que li dona al gel la seua estructura (duresa) i contribueix a fer que siga enganxós (adherència). D'aquesta manera, els gels són una dispersió de molècules o partícules dins un líquid en el qual el sòlid és la fase contínua i el líquid és la fase discontinua. Molts gels mostren tixotropia -esdevenen fluids quan se sacsegen, però es resolidifiquen quan queden quiets.

Gel

Substància química	grup de substàncies químiques

Un recipient amb gel de dutxa

Tipus

1. Hidrogels (aquosos): Són una xarxa de cadenes de polímer hidròfil, en forma col·loidal, en la qual l'aigua és el mitjà de dispersió. Els hidrogels són molt absorbents (que pot contenir més de 99,9%  d'aigua), i poden ser polímers naturals o sintètics. Els hidrogels també tenen un grau de flexibilitat molt similar al teixit natural, a causa del seu contingut d'aigua significativa.

Organogels (orgànics): Són similars als hidrogels, però amb un dissolvent orgànic com mig dispersant en lloc d'aigua. En el cas que els gels siguin extrets del si del fluid en el qual es van formar, és a dir, en el cas que s'assequin, poden donar lloc a dos tipus de gels secs:

1. Xerogels (sòlids): Són gels sòlids que han perdut o ha estat extret el dissolvent en condicions ambientals.
2. Aerogels (sòlids): Són gels sòlids als quals se'ls ha extret el dissolvent mitjançant condicions supercrítiques.

Hidrogels

Hidrogel és una xarxa de cadenes de polímers que són hidròfiles, de vegades es troben com un gel col·loidal en el qual l'aigua és el medi de dispersió. Els hidrogels són molt absorbents químicament (poden contenir un 99,9% d'aigua).^[1] La primera aparició del terme 'hidrogel' en la literatura va ser en 1894.^[2] Els hidrogels també posseeixen un grau de flexibilitat molt similar al del teixit natural. Els usos comuns dels hidrogels inclouen:

• Usats com a bastida en l'enginyeria de teixits. En aquest cas poden contenir cèl·lules humanes per reparar el teixit.
• S'han usat capes d'hidrogel per al cultiu cel·lular^[3]
• Gels intel·ligents. Aquests hidrogels tenen la capacitat de detectar canvis en el pH, de la temperatura, o de concentració de metabòlits i alliberar la seva càrrega com a resultat d'aquests canvis.
• Com a substància alliberadora de drogues de medicaments.
• Proporciona absorció en teixits necròtics.
• Els hidrogels que són responsables de molècules específiques, com la glucosa o els antígens, poden ser usats com biosensors, i també en DDS.
• Es fan servir en bolquers que absorbeixen orina o en tovallons sanitaris
• Lents de contacte
• Elèctrodes en electroencefalografia i electrocardiografia
• Explosius (Water Gel Explosives)
• Diagnòstic i administració de drogues rectals

Altres usos, menys comuns inclouen:

• Implants de pit
• En adhesius.
• Grànuls per mantenir la humitat del sòl en zones àrides
• Vestits per guarir de les cremades o altres ferides difícils de guarir.
• Reservoris en alliberament de drogues tòpiques transdèrmiques

Els ingredients comuns dels hidrogels són per exemple, alcohol polivinílic, poliacrilat de sodi, polímers d'acrilat i copolímers amb abundància de grups hidròfils.

Organogels

Un organogel és un material sòlid termoreversible no vitri cristal·lí. Estan compostos d'una xarxa en tres dimensions líquida orgànica. El líquid pot ser, per exemple, un solvent orgànic, oli mineral o oli vegetal.^[4][5]

Els organogels tenen potencial per a ser usats en un gran nombre d'aplicacions com la dels productes farmacèutics,^[6] cosmètics, i conservació de l'art,^[7] i en aliments.^[8]

Xerogels

Un xerogel és un gel sòlid obtingut per assecament. Els xerogels normalment retenen molta porositat (15-50%) i enorme àrea de superfície (150–900 m²/g), junt amb una mida petita de porus (1-10 nm). Un tipus de xerogel és l′aerogel. El tractament tèrmic d'un xerogel a temperatura elevada produeix una sinterització viscosa (contracció del xerogel a causa d'una petita quantitat de flux viscós) que dona com a resultat un sòlid més dens i robust, la densitat i la porositat reeixides depenen de les condicions de sinterització.

Hidrogels nanocomposts

Els hidrogels nanocomposts^[9][10] o hidrogels híbrids, són xarxes polimèriques altament hidratades, reticulades física o covalentemente entre si i/o amb nanopartícules o nanoestructures.^[11] Els hidrogels nanocomposts poden imitar les propietats, l'estructura i el microambient del teixit natiu a causa de la seva estructura porosa hidratada i interconnectada. Una àmplia gamma de nanopartícules, com els nanomaterials a base de carboni, polimèrics, ceràmics i metàl·lics, poden incorporar-se dins de l'estructura de l'hidrogel per a obtenir nanocomposts amb funcionalitat a mesura. Els hidrogels nanocomposts poden ser dissenyats per a posseir propietats físiques, químiques, elèctriques, tèrmiques i biològiques superiors.^[9][12]

Propietats

Molts gels mostren tixotropia: es tornen fluids quan s'agiten, però es tornen a solidificar quan en repòs. En general, els gels són materials aparentment sòlids, gelatinosos. És un tipus de fluid no newtonià. Reemplaçant el líquid per gas és possible preparar aerogels, materials amb propietats excepcionals que inclouen molt baixa densitat, una elevada superfície específica, i excel·lents propietats d'aïllant tèrmic.

Termodinàmica de la formació de la deformació del gel

Un gel és, en essència, la mescla d'una xarxa polimèrica i una fase solvent. En estirar-se, els enllaços creuats de la xarxa s'allunyen més els uns dels altres. Pel fet que els brins de polímer entre els enllaços creuats actuen com a ressorts entròpics, els gels presenten una elasticitat com la del cautxú (que és només una xarxa de polímer, sense solvent). Això és així perquè la penalització d'energia lliure per a estirar un segment de polímer ideal amb ${\displaystyle N}$ monòmers de grandària ${\displaystyle b}$ entre enllaços creuats a una distància d'extrem a extrem ${\displaystyle R}$ està donada aproximadament per^[13]

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

Aquest és l'origen tant del gel com de l'elasticitat del cautxú. Però una diferència clau és que el gel conté una fase de solvent addicional i, per tant, és capaç de tenir canvis de volum significatius sota deformació en prendre i treure solvent. Per exemple, un gel podria inflar-se diverses vegades el seu volum inicial després de submergir-se en un solvent després d'aconseguir l'equilibri. Aquest és el fenomen de la inflor del gel. Per contra, si traiem el gel inflat i deixem que s'evapori el solvent, el gel es reduiria aproximadament a la seva grandària original. Aquest canvi de volum de gel es pot introduir alternativament aplicant forces externes. Si s'aplica una tensió de compressió uniaxial a un gel, part del solvent contingut en el gel s'espremeria i el gel es contrauria en la direcció de l'esforç aplicat. Per a estudiar l'estat mecànic del gel en equilibri, un bon punt de partida és considerar un gel cúbic de volum ${\displaystyle V_{0}}$ que és estirat mitjançant els factors ${\displaystyle \lambda _{1}}$, ${\displaystyle \lambda _{2}}$ i ${\displaystyle \lambda _{3}}$ en les tres direccions ortogonals durant l'inflament després de ser submergit en una fase solvent de volum inicial ${\displaystyle V_{s0}}$. El volum final deformat de gel és llavors ${\displaystyle \lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}V_{0}}$ i el volum total del sistema és ${\displaystyle V_{0}+V_{s0}}$ que se suposa constant durant el procés d'inflament per a simplificar el tractament. L'estat inflat del gel ara està completament caracteritzat pels factors d'estirament ${\displaystyle \lambda _{1}}$, ${\displaystyle \lambda _{2}}$ i ${\displaystyle \lambda _{3}}$ i per tant és d'interès derivar l'energia lliure de deformació com una funció d'ells, denotada com a ${\displaystyle f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})}$. Per analogia amb el tractament històric de l'elasticitat del cautxú i l'energia lliure d emezcla, ${\displaystyle f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})}$ es defineix amb major freqüència com la diferència d'energia lliure després i abans de la inflor normalitzada pel volum de gel inicial ${\displaystyle V_{0}}$, és a dir, és una diferència de densitat d'energia lliure. L'expressió de ${\displaystyle f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})}$ naturalment incorpora dues contribucions d'orígens físics radicalment diferents, un està associat amb la deformació elàstica de la xarxa de polímer, i l'altre amb el barrejat de la xarxa amb el solvent. Per tant, l'expressió resultant és^[14]

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

S'analitzen a continuació les dues contribucions per separat. El terme de deformació elàstica del polímer és independent de la fase solvent i té la mateixa expressió que un cautxú, com es deriva de la teoria d'elasticitat del cautxú de Kuhn:

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

on ${\displaystyle G_{0}}$ és el mòdul de cisallament de l'estat inicial. D'altra banda, el terme de barrejat ${\displaystyle f_{\text{mix}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})}$ en general és tractat mitjançant l'energia lliure de Flory-Huggins de solucions de polímer concentrat ${\displaystyle f(\phi )}$, on ${\displaystyle \phi }$ és la fracció de volum de polímer. Si per exemple el gel inicial té una fracció de volum de gel ${\displaystyle \phi _{0}}$, la fración de volum de polímer després d'inflat serà ${\displaystyle \phi =\phi _{0}/\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}}$ atès que el nombre de monòmers parmanece constant mentre que el volum de gel ha augmentat per un factor ${\displaystyle \lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}}$. As the polymer volume fraction decreases from ${\displaystyle \phi _{0}}$ to ${\displaystyle \phi }$, una solució de polímer de concentració ${\displaystyle \phi _{0}}$ i volum ${\displaystyle V_{0}}$ és barrejada amb un solvent pur de volum ${\displaystyle (\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}-1)V_{0}}$ per a donar lloc a una solució amb una concentració de polímer de ${\displaystyle \phi }$ i volum ${\displaystyle \lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}V_{0}}$. El canvi de densitat d'energia lliure en aquesta etapa de barrejat és

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

on del costat dret, el primer terme és la densitat d'energia de Flory-Huggins del gel final inflat, el segon està associat al gel inicial i el tercer és del solvent pur abans de la mescla. Substituint ${\displaystyle \phi =\phi _{0}/\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}}$ s'obté

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

Observi's que el segon terme és independent dels factors d'allargament ${\displaystyle \lambda _{1}}$, ${\displaystyle \lambda _{2}}$ i ${\displaystyle \lambda _{3}}$ i per tant es pot descartar en les anàlisis subsegüents. Si s'utilitza l'energia lliure de Flory-Huggins per a una solució polímer-solvent^[15]

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

on ${\displaystyle v_{c}}$ és el volum de monòmer, ${\displaystyle N}$ és la longitud del bri de polímer i ${\displaystyle \chi }$ és el paràmetre d'energia de Flory-Huggins. A causa d'aquesta xarxa, la longitud del polímer és efectivament infinita, es pot prendre el límit ${\displaystyle N\to \infty }$ y ${\displaystyle f(\phi )}$ es redueix a

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

La substitució d'aquesta expressió en ${\displaystyle f_{\text{mix}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})}$ i sumant la contribució de la xarxa condueix a^[14]

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

Això proporciona el punt de partida per a examinar l'equilibri d'inflament d'una xarxa de gel submergida en solvent. Es pot demostrar que l'inflament del gel és la competència entre dues forces, una és la pressió osmòtica de la solució de polímer que afavoreix l'absorció de solvent i l'expansió, l'altra és la força restauradora de la xarxa de polímer elasticitat que afavoreix la contracció. En l'equilibri, els dos efectes es cancel·len exactament en principi i les ${\displaystyle \lambda _{1}}$, ${\displaystyle \lambda _{2}}$ i ${\displaystyle \lambda _{3}}$ associades defineixen el volum d'equilibri del gel. En resoldre l'equació d'equilibri de forces, sovint es prefereixen les solucions gràfiques.

En una anàlisi alternativa per escaleado, si un gel isotròpic és allargat per un factor ${\displaystyle \lambda }$ en les tres direccions. Sota l'aproximació de la xarxa afí, la distància extrem a extrem de píxels quadrats en el gel augmenta del valor inicial ${\displaystyle R_{0}^{2}}$ a ${\displaystyle (\lambda R_{0})^{2}}$ i l'energia elàstica d'un bri es pot expressar com

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

on ${\displaystyle R_{\text{ref}}}$ és la fluctuació quadràtica mitjana en la distància d'extrem a extrem d'un fil. El mòdul del gel és llavors aquesta energia elàstica d'un sol bri multiplicat per la densitat del número de bri ${\displaystyle \nu =\phi /Nb^{3}}$ el que és^[13]

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

Aquest mòdul es pot equiparar a la pressió osmòtica (a través de la diferenciació de l'energia lliure) per a donar la mateixa equació que es va presentar prèviament.

Aplicacions

Moltes substàncies poden formar gels quan s'afegeix un agent gelificant. Això sol ser utilitzat en la manufactura de diversos productes, des de menjar a pintures, passant per adhesius.

En els cables de fibra òptica s'utilitza una gelatina derivada del petroli per a embolicar una o diverses fibres. Aquest gel serveix per a lubrificar i mantenir les fibres a l'interior del cable flexible, així com per a evitar el contacte amb aigua si el cable s'esquerdés. També s'utilitzen últimament com a material per a evitar uns certs processos de reflexió que podrien interferir en la transmissió de senyal a través de la fibra òptica.

Els gels també són importants en la part de la química relacionada amb els processos sol-gel i en la síntesi de materials sòlids amb nanoporus.

El seu ús en medicina està molt difós. Després de la seva aplicació desapareixen ràpidament i completament, el que els atorga un aspecte cosmètic excel·lent. En dermatologia s'usen àmpliament sobretot en zones piloses com el cuir cabellut, o estretes i de difícil accés com el conducte auditiu extern o les fosses nasals, on l'aplicació de productes més grassos faria molt difícil la seva posterior neteja. Admet la incorporació de nombrosos principis actius bé a través de la seva fase aquosa, sigui aquesta un líquid orgànic o aigua.^[16]