젤

겔(독일어: Gel [geːl]) 또는 젤(영어: gel [dʒɛl])은 콜로이드 용액이 젤리 모양으로 굳어진 것을 말한다. 젤은 부드럽고 약한 것부터 단단하고 질긴 것까지 다양한 특성을 가질 수 있는 반고체이다.^[1]^[2] 겔은 실질적으로 희석된 가교 시스템으로 정의되며, 정상 상태에서는 흐름이 나타나지 않지만 액상은 여전히 이 시스템을 통해 확산될 수 있다.^[3] 겔은 현상학적으로 2개 이상의 성분으로 구성된 부드럽고 고체이거나 고체와 같은 물질로 정의되며, 그 중 하나는 액체이며 상당한 양으로 존재한다.

젤은 질량 기준으로 대부분 액체이지만 액체 내 3차원 가교망으로 인해 고체처럼 거동한다. 겔에 구조(경도)를 부여하고 접착력(점착성)에 기여하는 것은 유체 내 가교이다. 이러한 방식으로 겔은 고체 매질 내에 액체 분자가 분산되어 있다. 젤이라는 단어는 19세기 스코틀랜드의 화학자 토머스 그레이엄이 젤라틴을 잘라서 만들어낸 것이다.^[4]

겔을 형성하는 과정을 겔화라고 한다.

구성

젤은 액체 매질의 부피에 걸쳐 펼쳐진 고체 3차원 네트워크로 구성되며, 표면장력 효과를 통해 액체를 가둔다. 이러한 내부 네트워크 구조는 중합체 사슬의 엉킴과 같은 물리적 결합(물리적 젤)이나 이황화물 결합과 같은 화학 결합(화학 젤)에서 비롯될 수 있으며, 확장된 유체 내에서 손상되지 않고 유지되는 결정자(crystallite)나 다른 접합부에 의해 형성될 수도 있다. 물(하이드로젤), 오일, 공기(에어로젤)를 포함하여 사실상 거의 모든 유체가 확장제로 사용될 수 있다. 무게와 부피 측면에서 젤은 대부분 액체 구성이므로 구성 액체와 유사한 밀도를 나타낸다. 식용 젤리는 하이드로젤의 흔한 예이며 대략 물의 밀도를 가진다.

이온성 중합체

이온성 중합체는 이온성 기능기를 가진 중합체이다. 이온 전하는 중합체 사슬이 단단하게 꼬이는 것을 방지한다. 이로 인해 사슬이 펼쳐진 상태에서 더 많은 공간을 차지하게 되어 점성도에 더 큰 기여를 할 수 있게 된다. 이것이 젤이 굳어지는 이유이기도 하다. 자세한 내용은 고분자 전해질을 참조하라.

유형

교질 젤

교질 젤은 액체 매질 내 입자들의 침투 네트워크로 구성되며,^[5] 기계적 특성을 제공하고,^[6] 특히 탄성 거동의 출현을 가능하게 한다.^[7] 입자들은 삼투압 결핍(osmotic depletion)이나 중합체 연결을 통해 인력 상호작용을 보일 수 있다.^[8]

교질 젤은 그 수명 주기에서 젤화, 노화, 붕괴의 세 단계를 거친다.^[9]^[10] 젤은 처음에 입자들이 공간을 가로지르는 네트워크로 조립되면서 형성되어 위상 정지 상태에 이른다. 노화 단계에서 입자들은 천천히 재배열되어 더 두꺼운 가닥을 형성하며 재료의 탄성을 증가시킨다. 젤은 또한 중력과 같은 외부 장에 의해 붕괴되고 분리될 수 있다.^[11] 교질 젤은 낮은 진폭에서 선형 응답 유변학을 보여준다.^[12] 이러한 재료들은 약물 방출 매트릭스의 후보로 탐구되어 왔다.^[13]

하이드로젤

하이드로젤은 친수성인 중합체 사슬의 네트워크로, 때로는 물이 분산 매질인 교질 젤의 형태로 발견되기도 한다. 친수성 중합체 사슬이 가교에 의해 서로 결합되어 3차원 고체가 생성된다. 고유한 가교 구조 덕분에 하이드로젤 네트워크의 구조적 무결성은 높은 농도의 물에서도 용해되지 않는다.^[14] 하이드로젤은 흡수성이 매우 높으며(90% 이상의 물을 포함할 수 있음) 천연 또는 합성 중합체 네트워크이다. 하이드로젤은 또한 상당한 수분 함량으로 인해 천연 조직과 매우 유사한 정도의 유연성을 가지고 있다. 반응형 "스마트 재료"로서 하이드로젤은 pH 변화와 같은 외부 요인의 자극에 따라 포도당과 같은 특정 화합물을 환경으로 방출하게 하는 화학 시스템을 캡슐화할 수 있으며, 대부분의 경우 액체 상태로의 젤-졸 전이를 통해 이루어진다.^[15] 화학기계적 중합체 역시 대부분 하이드로젤이며, 자극에 따라 부피를 변화시켜 액추에이터나 센서 역할을 할 수 있다. 문헌에서 '하이드로젤'이라는 용어가 처음 등장한 것은 1894년이다.^[16]

유기젤

유기젤(organogel)은 3차원 가교 네트워크에 갇힌 액체 유기 화합물 상으로 구성된 비결정성, 비유리성 열가역적(열가소성 플라스틱) 고체 재료이다. 액체는 예를 들어 유기 용매, 광물유 또는 식물성 기름일 수 있다. 구조 형성제의 용해도와 입자 크기는 유기젤의 탄성 특성과 견고함에 중요한 특성이다. 종종 이러한 시스템은 구조 형성제 분자의 자기조립을 기반으로 한다.^[17]^[18] (원치 않는 열가역적 네트워크 형성의 예로는 석유에서 왁스 결정화가 발생하는 경우가 있다.^[19])

유기젤은 의약품,^[20] 화장품, 미술품 보존,^[21] 및 식품과 같은 여러 분야에서 활용될 가능성이 있다.^[22]

제로젤

IUPAC definition for a xerogel — https://doi.org/10.1351/goldbook.X06700.

제로젤(xerogel) /ˈzɪəroʊˌdʒɛl/은 젤을 방해받지 않는 수축을 동반하며 건조시켜 형성된 고체이다. 제로젤은 일반적으로 매우 작은 공극 크기(1–10 nm)와 함께 높은 다공성(15–50%) 및 거대한 표면적(150–900 m²/g)을 유지한다. 초계임체유체 조건에서 용매 제거가 이루어지면 네트워크가 수축하지 않고 에어로젤로 알려진 고다공성, 저밀도 재료가 생성된다. 고온에서 제로젤을 열처리하면 점성 소결(소량의 점성 유동으로 인한 제로젤의 수축)이 일어나 더 밀도가 높고 튼튼한 고체가 되며, 달성되는 밀도와 다공성은 소결 조건에 따라 달라진다.

나노복합체 하이드로젤

나노복합체 하이드로젤^[23]^[24] 또는 하이브리드 하이드로젤은 물리적 또는 공유결합으로 서로 및 나노입자나 나노구조와 가교된 고수화 중합체 네트워크이다.^[25] 나노복합체 하이드로젤은 수화되고 상호 연결된 다공성 구조로 인해 천연 조직의 특성, 구조 및 미세 환경을 모방할 수 있다. 탄소 기반, 중합체, 세라믹 및 금속 나노재료와 같은 광범위한 나노입자가 하이드로젤 구조 내에 통합되어 맞춤형 기능을 갖춘 나노복합체를 얻을 수 있다. 나노복합체 하이드로젤은 우수한 물리적, 화학적, 전기적, 열적 및 생물학적 특성을 갖도록 설계될 수 있다.^[23]^[26]

특성

많은 젤이 요변성을 나타내어, 흔들면 액체가 되지만 가만히 두면 다시 고체화된다. 일반적으로 젤은 겉보기에 고체인 젤리 같은 물질이다. 이는 비뉴턴 유체의 일종이다. 액체를 기체로 대체함으로써 매우 낮은 밀도, 높은 비표면적 및 우수한 단열 특성을 포함한 뛰어난 특성을 지닌 재료인 에어로젤을 제조하는 것이 가능하다.

젤 변형의 열역학

젤은 본질적으로 중합체 네트워크와 용매 상의 혼합물이다. 늘어날 때 네트워크 가교는 서로 더 멀리 떨어진다. 가교 사이의 중합체 가닥이 엔트로피 스프링으로 작용하기 때문에, 젤은 (용매가 없는 중합체 네트워크인) 고무 탄성과 같은 탄성을 보여준다. 이는 가교 사이의 크기 $b$ 인 단량체 $N$ 개로 이루어진 이상적인 중합체 분절을 양끝 거리 $R$ 로 늘리기 위한 자유 에너지 패널티가 대략 다음과 같이 주어지기 때문이다.^[27]

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

이것이 젤과 고무 탄성의 기원이다. 그러나 한 가지 주요 차이점은 젤에는 추가적인 용매 상이 포함되어 있어 변형 시 용매를 흡수하거나 배출함으로써 상당한 부피 변화를 일으킬 수 있다는 것이다. 예를 들어, 젤은 평형에 도달한 후 용매에 담가졌을 때 초기 부피의 몇 배로 팽창할 수 있다. 이것이 젤 팽윤 현상이다. 반대로, 팽윤된 젤을 꺼내어 용매를 증발시키면 젤은 대략 원래 크기로 수축한다. 이러한 젤 부피 변화는 외부 힘을 가함으로써 유도될 수도 있다. 젤에 단축 압축 변형력을 가하면 젤에 포함된 일부 용매가 짜여 나오고 젤은 가해진 변형력 방향으로 수축한다.

평형 상태의 젤 기계적 상태를 연구하기 위해, 초기 부피가 $V_{s0}$ 인 용매 상에 담가진 후 팽윤 과정에서 세 직교 방향으로 $\lambda _{1}$ , $\lambda _{2}$ , $\lambda _{3}$ 인자만큼 늘어난 초기 부피 $V_{0}$ 인 정육면체 젤을 고려하는 것이 좋은 시작점이다. 젤의 최종 변형 부피는 $\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}V_{0}$ 이며, 시스템의 총 부피는 $V_{0}+V_{s0}$ 이고 처리를 단순화하기 위해 팽윤 과정 동안 일정하다고 가정한다. 젤의 팽윤 상태는 이제 연신 인자 $\lambda _{1}$ , $\lambda _{2}$ , $\lambda _{3}$ 에 의해 완전히 특징지어지므로, 이들의 함수인 변형 자유 에너지 $f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})$ 를 도출하는 것이 관심 대상이다. 고무 탄성 및 혼합 자유 에너지의 역사적 처리와 유사하게, $f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})$ 는 흔히 초기 젤 부피 $V_{0}$ 로 정규화된 팽윤 전후의 자유 에너지 차이, 즉 자유 에너지 차이 밀도로 정의된다. $f_{\text{gel}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})$ 의 형태는 물리적 기원이 근본적으로 다른 두 가지 기여, 즉 중합체 네트워크의 탄성 변형과 관련된 것과 네트워크와 용매의 혼합과 관련된 것을 자연스럽게 가정한다. 따라서 다음과 같이 쓴다.^[28]

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}).

이제 두 기여를 별도로 고려한다. 중합체 탄성 변형 항은 용매 상과 무관하며 쿤(Kuhn)의 고무 탄성 이론에서 도출된 것과 동일한 표현식을 갖는다.

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

여기서 $G_{0}$ 는 초기 상태의 층밀림 탄성률을 나타낸다. 한편, 혼합 항 $f_{\text{mix}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})$ 는 일반적으로 고농도 중합체 용액의 플로리-허긴스 자유 에너지 $f(\phi )$ 로 처리되며, 여기서 $\phi$ 는 중합체 부피 분율이다. 초기 젤의 중합체 부피 분율이 $\phi _{0}$ 라고 가정하면, 단량체의 수는 동일하게 유지되지만 젤 부피는 $\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}$ 배 증가했으므로 팽윤 후 중합체 부피 분율은 $\phi =\phi _{0}/\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}$ 가 된다. 중합체 부피 분율이 $\phi _{0}$ 에서 $\phi$ 로 감소함에 따라, 농도 $\phi _{0}$ 및 부피 $V_{0}$ 인 중합체 용액은 부피 $(\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}-1)V_{0}$ 인 순수 용매와 혼합되어 중합체 농도 $\phi$ 및 부피 $\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}V_{0}$ 인 용액이 된다. 이 혼합 단계에서의 자유 에너지 밀도 변화는 다음과 같이 주어진다.

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)],

우변에서 첫 번째 항은 최종 팽윤된 젤의 플로리-허긴스 에너지 밀도이고, 두 번째는 초기 젤과 관련이 있으며, 세 번째는 혼합 전 순수 용매의 에너지 밀도이다. $\phi =\phi _{0}/\lambda _{1}\lambda _{2}\lambda _{3}$ 를 대입하면 다음과 같다.

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

두 번째 항은 연신 인자 $\lambda _{1}$ , $\lambda _{2}$ , $\lambda _{3}$ 와 무관하므로 후속 분석에서 생략할 수 있다. 이제 중합체-용매 용액에 대한 플로리-허긴스 자유 에너지를 사용한다.^[29]

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

여기서 $v_{c}$ 는 단량체 부피, $N$ 은 중합체 가닥 길이, $\chi$ 는 플로리-허긴스 에너지 파라미터이다. 네트워크에서 중합체 길이는 사실상 무한하므로, $N\to \infty$ 한계를 취할 수 있고 $f(\phi )$ 는 다음과 같이 축약된다.

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

이 식을 $f_{\text{mix}}(\lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3})$ 에 대입하고 네트워크 기여분을 더하면 다음과 같다.^[28]

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 ).

이는 용매에 담긴 젤 네트워크의 팽윤 평형을 조사하기 위한 시작점을 제공한다. 젤 팽윤은 두 힘 사이의 경쟁임이 밝혀졌는데, 하나는 용매의 흡수와 팽창을 선호하는 중합체 용액의 삼투압이고, 다른 하나는 수축을 선호하는 중합체 네트워크 탄성의 복원력이다. 평형 상태에서 원칙적으로 두 효과는 정확히 상쇄되며, 관련 $\lambda _{1}$ , $\lambda _{2}$ , $\lambda _{3}$ 가 평형 젤 부피를 정의한다. 힘 균형 방정식을 풀 때 종종 그래픽 솔루션이 선호된다.

대안적인 스케일링 접근법에서, 등방성 젤이 세 방향 모두에서 $\lambda$ 인자만큼 늘어난다고 가정한다. 아핀 네트워크 근사 하에, 젤의 평균 제곱 양끝 거리는 초기 $R_{0}^{2}$ 에서 $(\lambda R_{0})^{2}$ 로 증가하며, 한 가닥의 탄성 에너지는 다음과 같이 쓸 수 있다.

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

여기서 $R_{\text{ref}}$ 는 한 가닥의 양끝 거리의 평균 제곱 변동이다. 젤의 탄성률은 이 단일 가닥 탄성 에너지에 가닥 수 밀도 $\nu =\phi /Nb^{3}$ 를 곱하여 다음과 같이 구한다.^[27]

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

이 탄성률은 (자유 에너지의 미분을 통해) 삼투압과 동일하게 놓여 위에서 찾은 것과 같은 방정식을 얻을 수 있다.

고분자 전해질 젤의 수정된 도난 평형

생리적 농도의 소금 용액에 담긴, 다음과 같은 반응에 따라 이온화될 수 있는 약산 기로 장식된 고분자 전해질로 만들어진 하이드로젤을 고려해 보라.

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

고분자 전해질의 이온화 정도는 ${\text{pH}}$ 와 ${\text{H}}^{+}$ 및 ${\text{A}}^{-}$ 의 전하 특성으로 인해 시스템 내의 다른 이온들과의 정전기적 상호작용에 의해 제어된다. 이것은 본질적으로 정전기적 효과에 의해 조절되는 산-염기 평형에 의해 지배되는 반응 시스템이며, 약물 전달, 해수 해수담수화 및 투석 기술과 관련이 있다. 젤의 탄성적 성질 때문에 시스템 내 ${\text{A}}^{-}$ 의 분산이 제한되며, 따라서 젤 내부와 외부의 염 이온 및 ${\text{H}}^{+}$ 의 분할이 발생하게 되는데, 이는 고분자 전해질의 이온화 정도와 밀접하게 결합되어 있다. 젤 내부와 외부의 이러한 이온 분할은 고전적인 도난(Donnan) 이론에서 반투과성 막을 가로지르는 이온의 분할과 유사하지만, 여기서는 네트워크 탄성에 의해 부과된 젤 부피 제약이 가상의 막 역할을 효과적으로 수행하여 이온의 통과는 허용하면서 거대 이온이 통과하는 것을 방지하므로 실제 막은 필요하지 않다.^[30]

이온 분할과 고분자 전해질 이온화 정도 사이의 결합은 고전적인 도난 이론에 의해 부분적으로만 설명된다. 시작점으로 이온 간의 정전기적 상호작용을 무시할 수 있다. 그러면 평형 상태에서 젤 내의 일부 약산 부위가 해리되어 ${\text{A}}^{-}$ 를 형성하고, 이는 정전기적으로 양전하를 띤 ${\text{H}}^{+}$ 와 염 양이온을 끌어당겨 젤 내부에 상대적으로 높은 농도의 ${\text{H}}^{+}$ 와 염 양이온을 형성하게 한다. 그러나 ${\text{H}}^{+}$ 농도가 국부적으로 더 높기 때문에 산 부위의 추가적인 이온화를 억제한다. 이 현상이 고전적인 도난 이론의 예측이다.^[31] 그러나 정전기적 상호작용이 있으면 상황이 더 복잡해진다. 인접한 두 개의 초기 비전하 산 부위 ${\text{HA}}$ 가 모두 해리되어 ${\text{A}}^{-}$ 를 형성하는 경우를 생각해 보라. 두 부위가 모두 음전하를 띠기 때문에 중합체의 백본을 따라 전하 간 반발력이 생겨 사슬을 늘리려 할 것이다. 이 에너지 비용은 탄성적으로나 정전기적으로 모두 높기 때문에 이온화를 억제한다. 비록 이러한 이온화 억제가 도난 이론의 예측과 질적으로 유사하지만, 이는 정전기적 고려 없이는 존재하지 않으며 이온 분할과는 무관하게 나타난다. 두 효과의 결합과 젤 탄성이 평형 상태에서의 젤 부피를 결정한다.^[30] 결합된 산-염기 평형, 정전기학 및 네트워크 탄성의 복잡성 때문에, 최근에야 컴퓨터 시뮬레이션에서 이러한 시스템이 올바르게 재현되었다.^[30]^[32]

동물 생산 젤

일부 종은 기생충 제어에 효과적인 젤을 분비한다. 예를 들어, 긴지느러미들쇠고래는 몸의 외부 표면에 머무르는 효소 젤을 분비하여 다른 유기체들이 고래의 몸 표면에 군집을 형성하는 것을 방지하는 데 도움을 준다.^[33]

체내에 자연적으로 존재하는 하이드로젤로는 점액, 눈의 유리체, 연골, 힘줄 및 혈전 등이 있다. 이들의 점탄성적 특성은 골격계의 광물 기반 경성 조직과는 다른 신체의 연조직 구성 요소를 형성한다. 연구자들은 일시적 임플란트(분해성) 및 영구적 임플란트(비분해성) 모두를 위해 하이드로젤에서 유래한 합성 조직 교체 기술을 활발히 개발하고 있다. 이 주제에 관한 리뷰 기사에서는 추간판 핵 교체, 연골 교체 및 합성 조직 모델을 위한 하이드로젤의 사용에 대해 다루고 있다.^[34]

응용

많은 물질이 적절한 증점제나 젤화제를 배합에 추가하면 젤을 형성할 수 있다. 이러한 방식은 식품에서부터 페인트, 접착제에 이르기까지 광범위한 제품 제조에서 흔히 사용된다.

광섬유 통신에서, 점성도가 헤어 젤과 유사한 부드러운 젤이 섬유를 포함하는 플라스틱 튜브를 채우는 데 사용된다. 젤의 주요 목적은 완충 튜브가 파손되었을 때 물이 침투하는 것을 방지하는 것이지만, 설치 중에 튜브가 모서리에서 구부러지거나 휘어질 때 기계적 손상으로부터 섬유를 완충하는 역할도 한다. 또한 젤은 케이블이 제작될 때 공정 보조제 역할을 하여, 튜브 재료가 주위로 압출되는 동안 섬유를 중앙에 유지시킨다.

같이 보기

각주

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