Технология Gel

Гель (от лат. gelo — застываю, желатин) — это дисперсная система с жидкой или газообразной дисперсионной средой, обладающая свойствами твёрдого тела: упругостью, пластичностью, способностью сохранять форму. В отличие от золя (жидкой коллоидной системы), гель представляет собой структурированную систему, в которой частицы дисперсной фазы образуют пространственную сетку (каркас), удерживающую дисперсионную среду. Гели широко распространены в природе и технике, от пищевых продуктов до косметических средств и медицинских материалов.

История

Первые упоминания о гелях относятся к античности, когда люди использовали природные желирующие агенты, такие как пектин из фруктов и желатин из костей животных, для приготовления пищи. Однако научное изучение гелей началось в XIX веке. В 1861 году английский химик Томас Грэм, основоположник коллоидной химии, ввёл термин «коллоид» и описал свойства гелей, в частности, способность желатина образовывать студенистые массы. В 1920-х годах немецкий химик Вольфганг Оствальд разработал классификацию коллоидных систем, включая гели. В середине XX века с развитием полимерной химии началось промышленное производство синтетических гелей, таких как полиакриламидные и силикагелевые. В 1970-х годах в косметологии и медицине стали активно применяться гидрогели на основе полимеров, а в 1990-х годах — аэрогели, обладающие рекордно низкой плотностью.

Классификация

Гели классифицируют по нескольким признакам.

По природе дисперсионной среды

• Гидрогели — дисперсионной средой является вода. Примеры: желатиновые десерты, контактные линзы, гидрогелевые повязки.
• Органогели — дисперсионной средой является органическая жидкость (масло, спирт, ацетон). Примеры: косметические кремы, смазочные материалы.
• Аэрогели — дисперсионной средой является газ (обычно воздух). Получаются заменой жидкости в гидрогеле на газ без разрушения структуры. Примеры: силикагель, аэрогель на основе углерода (графеновый аэрогель).

По природе дисперсной фазы

• Неорганические гели — дисперсная фаза состоит из неорганических веществ (оксиды кремния, алюминия, титана). Примеры: силикагель (используется как осушитель), гель кремниевой кислоты.
• Органические гели — дисперсная фаза состоит из органических полимеров (белки, полисахариды, синтетические полимеры). Примеры: желатин, агар-агар, полиакриламидный гель.

По типу структуры

• Эластичные гели — обратимо деформируются под действием внешних сил, после снятия нагрузки восстанавливают форму. Характерны для полимеров с длинными цепями (желатин, каучук).
• Хрупкие гели — разрушаются при незначительной деформации. Характерны для неорганических гелей (силикагель).

Устройство и свойства

Гель представляет собой трёхмерную сетку, образованную частицами дисперсной фазы (полимерными цепями, коллоидными частицами), которые связаны между собой химическими или физическими связями. В ячейках этой сетки находится дисперсионная среда (жидкость или газ). Размер ячеек может варьироваться от нанометров до микрометров.

Основные свойства гелей

• Тиксотропия — способность геля разжижаться при механическом воздействии (встряхивании, перемешивании) и восстанавливать структуру в покое. Свойственно многим гелям, например, зубной пасте, краскам.
• Синерезис — самопроизвольное выделение дисперсионной среды из геля при старении. Наблюдается, например, при хранении варенья или йогурта.
• Набухание — способность геля поглощать жидкость, увеличиваясь в объёме. Характерно для гидрогелей, например, для памперсов.
• Упругость — способность геля восстанавливать форму после деформации, обусловленная эластичностью полимерной сетки.
• Вязкость — высокая вязкость, которая может изменяться в зависимости от скорости сдвига (неньютоновская жидкость).

Применение

Гели находят применение в самых разных областях.

Пищевая промышленность

Гели используются для создания студенистых продуктов: желе, мармелада, зефира, йогуртов, десертов. В качестве желирующих агентов применяют желатин (животного происхождения), агар-агар (из водорослей), пектин (из фруктов), каррагинан (из водорослей). Гели обеспечивают текстуру, консистенцию и стабильность продуктов.

Косметология и гигиена

Гели широко используются в косметических средствах: гели для душа, шампуни, зубные пасты, кремы, гели для укладки волос. Они обеспечивают лёгкое нанесение, приятную текстуру и контролируемое высвобождение активных компонентов. Гидрогелевые маски для лица и патчи для глаз популярны благодаря увлажняющим свойствам.

Медицина и фармацевтика

• Гидрогелевые повязки — используются для лечения ран, ожогов, пролежней. Они поддерживают влажную среду, способствуют заживлению и не прилипают к ране.
• Контактные линзы — изготавливаются из гидрогелей (силикон-гидрогелевых материалов), обеспечивающих высокую проницаемость для кислорода и комфорт при ношении.
• Лекарственные формы — гели используются для местного применения (например, гель диклофенака для снятия воспаления) и для контролируемого высвобождения лекарств.
• Импланты — гидрогели используются в тканевой инженерии для создания каркасов для роста клеток, а также в качестве наполнителей в пластической хирургии.

Наука и техника

• Силикагель — используется как осушитель (адсорбент влаги) в упаковках, в хроматографии для разделения веществ.
• Аэрогели — применяются в качестве теплоизоляции (например, в космических аппаратах, строительстве), как звукоизоляция, как носители катализаторов.
• Электрофорез — полиакриламидный гель используется для разделения белков и нуклеиновых кислот в биохимии.
• Сенсоры — гели, чувствительные к pH, температуре или электрическому полю, используются в «умных» материалах.

Сельское хозяйство

Гидрогели применяются для удержания влаги в почве (суперабсорбенты), что снижает частоту полива и улучшает рост растений. Также используются для контролируемого высвобождения удобрений и пестицидов.

Примеры

• Гель для душа — косметическое средство на основе поверхностно-активных веществ и загустителей, образующее гелеобразную консистенцию.
• Желатиновый десерт — пищевой гель, получаемый при застывании раствора желатина с сахаром и ароматизаторами.
• Силикагель — неорганический гель, используемый в качестве осушителя (например, в коробках с обувью).
• Гидрогелевая повязка — медицинское изделие для лечения ран, состоящее из полимерного геля, удерживающего воду.
• Аэрогель — самый лёгкий твёрдый материал, состоящий на 99,8 % из воздуха, используется в теплоизоляции.

Интересные факты

• Аэрогели на основе кремнезёма (силикагеля) являются одними из самых лёгких твёрдых материалов: их плотность может быть меньше плотности воздуха (например, 0,001 г/см³).
• Гидрогели могут поглощать воду в сотни раз больше собственного веса, что используется в подгузниках и средствах для удержания влаги.
• Некоторые гели обладают памятью формы: после деформации они могут возвращаться к исходной форме при изменении температуры или pH.
• В природе гели встречаются в виде цитоплазмы клеток, хрусталика глаза, хрящевой ткани, слизистых оболочек.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое применение, гели имеют ряд недостатков. В пищевой промышленности использование синтетических желирующих агентов (например, каррагинана) вызывает споры о возможном негативном влиянии на здоровье. В косметологии некоторые гели могут вызывать раздражение кожи или аллергические реакции. В медицине гидрогелевые импланты могут со временем разрушаться или вызывать фиброз. Кроме того, многие гели нестабильны при высоких температурах или в присутствии электролитов, что ограничивает их применение.

Источники

• Грэм Т. «О коллоидных растворах» (1861).
• Оствальд В. «Коллоидная химия» (1920).
• Фридрихсберг Д. А. «Коллоидная химия» (1984).
• Энциклопедия «Химия» (Большая российская энциклопедия, 2004).
• «Гидрогели: синтез, свойства и применение» (обзор, журнал «Успехи химии», 2015).
• «Аэрогели: материалы будущего» (журнал «Наука и жизнь», 2018).