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젤

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목차

1. 개요

젤은 액체 매질 내에서 표면 장력 효과를 통해 고체 3차원 네트워크를 형성하여 유체를 가두는 물질이다. 겔은 물리적 결합이나 화학적 결합, 결정체 등 다양한 방식으로 형성되며, 물, 기름, 공기 등 거의 모든 유체를 확장제로 사용할 수 있다. 젤은 대부분 유체로 구성되어 있어 구성 액체와 유사한 밀도를 나타내며, 하이드로겔, 유기 젤, 제로그젤, 나노복합 하이드로겔 등 다양한 종류가 있다. 젤은 치소성을 나타내며, 고분자 네트워크와 용매의 혼합물로 구성되어 팽윤 및 수축 현상을 보인다. 젤은 식품, 광섬유 통신 등 다양한 분야에서 증점제, 완충제 등으로 활용된다.

2. 겔의 조성 및 종류

콜로이드성 겔은 유체 매질 내 입자의 침투된 네트워크로 구성되어 기계적 특성을 제공하며,[6] 특히 탄성 거동이 나타난다.[7] 입자는 삼투 고갈 또는 고분자 연결을 통해 매력적인 상호 작용을 보일 수 있다.[8]

콜로이드성 겔은 수명 동안 젤화, 에이징, 붕괴의 세 단계를 거친다.[9][10] 젤은 처음에 입자가 공간을 덮는 네트워크로 조립되어 위상 고정을 유도하여 형성된다. 에이징 단계에서 입자는 서서히 재배열되어 더 두꺼운 가닥을 형성하여 재료의 탄성을 증가시킨다. 젤은 중력과 같은 외부 장에 의해 붕괴되고 분리될 수도 있다.[11] 콜로이드성 젤은 낮은 진폭에서 선형 응답 유변학을 보인다.[12] 이러한 재료는 약물 방출 매트릭스 후보로 연구되어 왔다.[13]

고흡수성 고분자의 하이드로겔


하이드로겔은 친수성 고분자 사슬의 네트워크로, 때로는 물이 분산 매체인 콜로이드 겔 형태로 발견된다. 3차원 고체는 친수성 고분자 사슬이 가교 결합에 의해 함께 유지되어 생성된다. 고유한 가교 결합으로 인해 하이드로겔 네트워크의 구조적 완전성은 높은 농도의 물에서도 용해되지 않는다.[14] 하이드로겔은 흡수성이 매우 높은(90% 이상의 물을 함유할 수 있음) 천연 또는 합성 고분자 네트워크이다. 하이드로겔은 또한 상당한 수분 함량으로 인해 천연 조직과 매우 유사한 정도의 유연성을 가지고 있다. 반응성 있는 "스마트 소재"로서 하이드로겔은 외부 요인, 예를 들어 pH 변화에 의해 자극될 때 포도당과 같은 특정 화합물을 환경으로 방출하게 할 수 있는 화학 시스템을 캡슐화할 수 있으며, 대부분의 경우 액체 상태로의 겔-졸 전이에 의해 발생한다.[15] 화학-기계적 고분자는 대부분 하이드로겔이며, 자극 시 부피가 변하여 액추에이터 또는 센서 역할을 할 수 있다. '하이드로겔'이라는 용어가 문헌에 처음 등장한 것은 1894년이다.[16]

고분자 겔에 대한 IUPAC 정의


'''유기 젤'''은 삼차원적으로 가교 결합된 네트워크에 갇힌 액체 유기 화합물상으로 구성된 결정성이 없는, 유리가 아닌 열가역성 (열가소성) 고체 물질이다. 액체는 예를 들어 유기 용매, 광유 또는 식물성 기름일 수 있다. 구조체의 용해도와 입자 크기는 유기 젤의 탄성 특성과 경도를 결정하는 중요한 특성이다. 종종 이러한 시스템은 구조체 분자의 자기 조립을 기반으로 한다.[17][18] (원치 않는 열가역성 네트워크 형성의 예는 석유에서 왁스 결정화가 발생하는 것이다.[19])

유기 젤은 제약 분야,[20] 화장품, 미술품 보존,[21] 및 식품 분야에서 다양한 응용 분야에 활용될 잠재력이 있다.[22]

제로그젤에 대한 IUPAC 정의


'''제로그젤'''은 젤을 건조시켜 수축이 자유롭게 일어나도록 하여 형성된 고체이다. 제로그젤은 일반적으로 높은 기공률(15–50%)과 엄청난 표면적(150–900 m2/g), 그리고 매우 작은 기공 크기(1–10 nm)를 유지한다. 용매 제거가 초임계 유체 조건에서 발생하면 네트워크가 수축하지 않고, ''에어로젤''이라고 알려진 다공성이 높고 밀도가 낮은 물질이 생성된다. 제로그젤을 높은 온도에서 열처리하면 점성 소결(소량의 점성 흐름으로 인한 제로그젤의 수축)이 발생하여 더 조밀하고 견고한 고체가 생성되며, 달성된 밀도와 기공률은 소결 조건에 따라 달라진다.

나노복합 하이드로겔[23][24] 또는 하이브리드 하이드로젤은 서로 물리적 또는 공유 결합으로 가교 결합되거나 나노 입자 또는 나노 구조체와 가교 결합된 고도로 수화된 고분자 네트워크이다.[25] 나노복합 하이드로겔은 수화되고 상호 연결된 다공성 구조로 인해 생체 조직의 특성, 구조 및 미세 환경을 모방할 수 있다. 탄소 기반, 고분자, 세라믹 및 금속 나노 물질과 같은 광범위한 나노 입자를 하이드로겔 구조에 통합하여 맞춤형 기능을 갖춘 나노 복합체를 얻을 수 있다. 나노복합 하이드로젤은 뛰어난 물리적, 화학적, 전기적, 열적 및 생물학적 특성을 갖도록 설계될 수 있다.[23][26]

2. 1. 겔의 조성

겔은 액체 매질의 부피를 가로질러 표면 장력 효과를 통해 이를 가두는 고체 3차원 네트워크로 구성된다. 이러한 내부 네트워크 구조는 고분자 사슬 얽힘(고분자 참조)과 같은 물리적 결합(물리적 겔) 또는 이황화 결합과 같은 화학 결합(티오머 참조) (화학적 겔), 그리고 확장 유체 내에서 온전하게 유지되는 결정체 또는 기타 접합부로부터 발생할 수 있다. 물(하이드로겔), 기름, 공기(에어로겔)를 포함하여 사실상 모든 유체를 확장제로 사용할 수 있다. 겔은 무게와 부피 모두에서 대부분 유체로 구성되어 있어 구성 액체와 유사한 밀도를 나타낸다. 식용 젤리는 하이드로겔의 흔한 예시이며 물과 거의 동일한 밀도를 갖는다.

폴리이온 중합체는 이온성 작용기를 가진 중합체이다. 이온 전하는 빽빽하게 꼬인 중합체 사슬의 형성을 방지한다. 이로 인해 늘어난 상태에서 점성에 더 크게 기여할 수 있는데, 이는 늘어난 중합체가 더 많은 공간을 차지하기 때문이다. 이것이 젤이 굳는 이유이기도 하다. 자세한 내용은 폴리전해질을 참조한다.

졸이 겔이 될 때 분산질이 연결되어 네트워크를 만드는 현상을 가교라고 한다. 겔은 가교 방법에 따라 다음과 같이 나뉜다.

물리 겔의 결합은 약하고 가역적이며, 온도 변화나 응력 등으로 졸로 돌아간다. 화학 겔의 공유 결합은 안정적이다.

분산질이 고분자이고, 가교에 의해 망목 구조가 된 겔을 고분자 겔이라고 한다.

습윤 겔 중, 분산매가 물인 겔을 하이드로겔영어(hydrogel), 분산매가 유기 용매인 겔을 오가노겔영어(organogel)이라고 한다. 유기 용매에 알코올이 사용된 것은 알코겔(alcogel)이라고 한다. 분산매를 대량으로 포함하고 균일한 구조를 취하는 것을 젤리(jelly), 증발 등으로 내부의 용매를 잃고 공극을 가진 망목 구조가 된 것을 크세로겔(xerogel)이라고 한다. 크세로겔의 대표는 실리카겔로, 높은 흡습성을 가진다. 또한, 동결 건조나 초임계 건조에 의해 분산매를 제거한 겔을 각각 크리오겔(cryogel), 에어로겔(aerogel)이라고 한다.

2. 2. 겔의 종류

겔은 가교 방법에 따라 다음과 같이 나뉜다.

  • 화학 겔: 공유 결합으로 형성된다.
  • 물리 겔: 분자간 힘 등 공유 결합이 아닌 다른 힘으로 형성된다. 물리 겔의 결합은 약하고 가역적이어서, 온도 변화나 응력 등에 의해 졸로 돌아간다.


분산질이 고분자이고, 가교에 의해 망목 구조가 된 겔을 고분자 겔이라고 한다.

습윤 겔 중, 분산매에 따라 다음과 같이 나뉜다.

  • 하이드로겔|hydrogel영어: 분산매가 물인 겔
  • 오가노겔|organogel영어: 분산매가 유기 용매인 겔
  • 알코겔(alcogel): 유기 용매로 알코올이 사용된 겔


실리카겔은 물유리(규산 나트륨)의 젤을 탈수 건조시킨 크세로겔(xerogel)의 대표적인 예시이며, 높은 흡습성을 가진다. 크세로겔은 젤이 증발 등으로 내부의 용매를 잃고 공극을 가진 망목 구조가 된 것이다. 또한, 동결 건조나 초임계 건조에 의해 분산매를 제거한 겔을 각각 크리오겔(cryogel), 에어로겔(aerogel)이라고 한다.

겔의 종류는 다음과 같다.

종류설명
젤리
한천D-갈락토스, 3,6-안히드로갈락토스를 성분으로 하는 다당류의 젤.
젤라틴주로 콜라겐을 주성분으로 하는 단백질의 젤.
두부콩 단백질의 젤.
곤약만난(D-만노스를 성분으로 하는 다당)의 젤.
실리카겔
네이팜탄가솔린과 계면활성제로 구성된 젤.
시멘트 젤시멘트를 경화시키기 위해 물을 첨가했을 때 생기는 콜로이드 상태. 시멘트 수화물. C-S-H (규산 칼슘 수화물) 등.
어육 연제품
젤 잉크 볼펜


3. 겔의 특성

콜로이드성 겔은 유체 매질 내 입자들의 침투된 네트워크로 구성되어 기계적 특성을 가지며,[6] 특히 탄성 거동이 나타난다.[7] 입자들은 삼투 고갈 또는 고분자 연결을 통해 매력적인 상호 작용을 보일 수 있다.[8]

콜로이드성 겔은 젤화, 에이징, 붕괴의 세 단계를 거친다.[9][10] 젤은 처음에 입자가 공간을 덮는 네트워크로 조립되어 위상 고정을 유도하여 형성된다. 에이징 단계에서 입자는 서서히 재배열되어 더 두꺼운 가닥을 형성하여 재료의 탄성을 증가시킨다. 젤은 중력과 같은 외부 장에 의해 붕괴되고 분리될 수도 있다.[11] 콜로이드성 젤은 낮은 진폭에서 선형 응답 유변학을 보인다.[12] 이러한 재료는 약물 방출 매트릭스 후보로 연구되어 왔다.[13]

나노복합 하이드로젤[23][24] 또는 하이브리드 하이드로젤은 서로 물리적 또는 공유 결합으로 가교 결합되거나 나노 입자 또는 나노 구조체와 가교 결합된 고도로 수화된 고분자 네트워크이다.[25] 나노복합 하이드로젤은 수화되고 상호 연결된 다공성 구조로 인해 생체 조직의 특성, 구조 및 미세 환경을 모방할 수 있다. 탄소 기반, 고분자, 세라믹 및 금속 나노 물질과 같은 광범위한 나노 입자를 하이드로젤 구조에 통합하여 맞춤형 기능을 갖춘 나노 복합체를 얻을 수 있다. 나노복합 하이드로젤은 뛰어난 물리적, 화학적, 전기적, 열적 및 생물학적 특성을 갖도록 설계될 수 있다.[23][26]

많은 젤은 요변성을 나타낸다. 즉, 교반하면 유동성이 되지만 휴지 상태가 되면 다시 고화된다. 일반적으로 젤은 겉보기에는 고체이며 젤리 모양의 물질이다. 이는 일종의 비뉴턴 유체이다.

젤은 본질적으로 고분자 네트워크와 용매 상의 혼합물이다. 젤의 탄성은 고무와 유사하게 가교 결합 사이의 고분자 가닥이 엔트로피 스프링 역할을 하기 때문에 나타난다.[27] 젤은 용매를 흡수하고 방출하여 부피 변화를 겪을 수 있는데, 예를 들어 젤은 용매에 담그면 초기 부피의 몇 배로 팽윤될 수 있다. 이러한 젤 부피 변화는 외부 힘을 가하여도 발생할 수 있다.

치소성(thixotropy)은 분산계 용액의 상태가 응력에 따라 졸과 겔 사이에서 바뀌는 현상으로, 겔화하기 쉬운 분산계 용액에서 나타나는 현상이다. 응력이 없는 상태에서는 겔 상태에 있으며 유동성을 보이지 않는다. 그러나 외력이 가해지면 겔 구조가 파괴되어 졸 상태가 되어 유동성을 회복하고, 외력이 작용하지 않으면 겔 구조가 재생되어 유동성을 잃는다.

4. 겔의 응용

콜로이드성 겔은 약물 방출 매트릭스 후보로 연구되어 왔다.[13]

하이드로겔은 친수성 고분자 사슬의 네트워크로, 물이 분산 매체인 콜로이드 겔 형태로 발견된다. 3차원 고체는 친수성 고분자 사슬이 가교 결합에 의해 함께 유지되어 생성된다. 고유한 가교 결합으로 인해 하이드로겔 네트워크는 높은 농도의 물에서도 용해되지 않는다.[14] 하이드로겔은 흡수성이 매우 높은(90% 이상의 물을 함유할 수 있음) 천연 또는 합성 고분자 네트워크이다. 하이드로겔은 또한 상당한 수분 함량으로 인해 천연 조직과 매우 유사한 정도의 유연성을 가지고 있다. 반응성 있는 "스마트 소재"로서 하이드로겔은 외부 요인, 예를 들어 pH 변화에 의해 자극될 때 포도당과 같은 특정 화합물을 환경으로 방출하게 할 수 있는 화학 시스템을 캡슐화할 수 있으며, 대부분의 경우 액체 상태로의 겔-졸 전이에 의해 발생한다.[15] 화학-기계적 고분자는 대부분 하이드로겔이며, 자극 시 부피가 변하여 액추에이터 또는 센서 역할을 할 수 있다.

유기 젤은 삼차원적으로 가교 결합된 네트워크에 갇힌 액체 유기 화합물상으로 구성된 결정성이 없는, 유리가 아닌 열가역성 (열가소성) 고체 물질이다. 액체는 유기 용매, 광유 또는 식물성 기름일 수 있다. 구조체의 용해도와 입자 크기는 유기 젤의 탄성 특성과 경도를 결정하는 중요한 특성이다. 종종 이러한 시스템은 구조체 분자의 자기 조립을 기반으로 한다.[17][18] 유기 젤은 제약 분야,[20] 화장품, 미술품 보존,[21] 및 식품 분야에서 다양한 응용 분야에 활용될 잠재력이 있다.[22]

나노복합 하이드로젤[23][24]은 서로 물리적 또는 공유 결합으로 가교 결합되거나 나노 입자 또는 나노 구조체와 가교 결합된 고도로 수화된 고분자 네트워크이다.[25] 나노복합 하이드로젤은 수화되고 상호 연결된 다공성 구조로 인해 생체 조직의 특성, 구조 및 미세 환경을 모방할 수 있다. 탄소 기반, 고분자, 세라믹 및 금속 나노 물질과 같은 광범위한 나노 입자를 하이드로젤 구조에 통합하여 맞춤형 기능을 갖춘 나노 복합체를 얻을 수 있다. 나노복합 하이드로젤은 뛰어난 물리적, 화학적, 전기적, 열적 및 생물학적 특성을 갖도록 설계될 수 있다.[23][26]

일부 종은 기생충을 제어하는 데 효과적인 젤을 분비한다. 예를 들어, 긴수염고래는 이 동물의 표면에 위치하며 다른 유기체가 이 고래의 몸 표면에 서식하는 것을 막는 효소 젤을 분비한다.[33]

체내에 자연적으로 존재하는 하이드로젤에는 점액, 눈의 유리체, 연골, 힘줄 및 혈전이 있다. 연구자들은 일시적인 임플란트 및 영구적인 임플란트를 위해 하이드로젤에서 파생된 합성 조직 대체 기술을 활발히 개발하고 있다.[34]

다양한 물질은 적절한 증점제 또는 젤화제가 배합되면 젤을 형성할 수 있다. 이러한 방식은 식품에서 페인트, 접착제에 이르기까지 광범위한 제품 제조에 널리 사용된다.

광섬유 통신에서 점성이 헤어젤과 유사한 부드러운 젤이 섬유가 들어있는 플라스틱 튜브를 채우는 데 사용된다. 젤의 주요 목적은 완충 튜브가 파손될 경우 물의 침투를 방지하는 것이지만, 튜브가 설치 과정에서 모서리 주위로 구부러지거나 굽혀질 때 젤은 섬유를 기계적 손상으로부터 보호한다. 또한, 케이블이 제작될 때 젤은 가공 보조제 역할을 하여 튜브 재료가 그 주위로 압출될 때 섬유를 중앙에 유지한다.

다음은 젤의 다른 예시이다.


  • 젤리
  • * 한천 - D-갈락토스, 3,6-안히드로갈락토스를 성분으로 하는 다당류의 젤.
  • * 젤라틴 - 주로 콜라겐을 주성분으로 하는 단백질의 젤.
  • 두부 - 콩 단백질의 젤.
  • 곤약 - 만난(D-만노스를 성분으로 하는 다당)의 젤.
  • 실리카겔 - 물유리(규산 나트륨)의 젤을 탈수 건조시킨 것.
  • 네이팜탄 - 가솔린과 계면활성제로 구성된 젤.
  • 시멘트 젤 - 시멘트를 경화시키기 위해 물을 첨가했을 때 생기는 콜로이드 상태. 시멘트 수화물. C-S-H (규산 칼슘 수화물) 등.
  • 어육 연제품
  • 젤 잉크 볼펜

참조

[1] 서적 Gels Handbook: Fundamentals, Properties and Applications World Scientific Pub Co Inc 2016
[2] 서적 Supramolecular Polymer Networks and Gels Springer 2015
[3] 서적 Viscoelastic Properties of Polymers Wiley 1980
[4] 웹사이트 Online Etymology Dictionary: gel http://www.etymonlin[...] 2013-12-09
[5] 논문 Colloidal gels: equilibrium and non-equilibrium routes 2007-08-15
[6] 논문 Direct link between mechanical stability in gels and percolation of isostatic particles 2019-05
[7] 논문 Colloidal gel elasticity arises from the packing of locally glassy clusters 2019-05
[8] 논문 Structure and phase behavior of polymer-linked colloidal gels 2019-09-28
[9] 논문 Gelation of particles with short-range attraction 2008-05
[10] 논문 A micro-mechanical study of coarsening and rheology of colloidal gels: Cage building, cage hopping, and Smoluchowski's ratchet 2014-09
[11] 논문 Gravitational Collapse of Colloidal Gels http://nrs.harvard.e[...] 2005-06-03
[12] 논문 Influence of structure on the linear response rheology of colloidal gels 2019-07
[13] 논문 Brownian Dynamics Simulation of Colloidal Gels as Matrix for Controlled Release Application 2019-11-12
[14] 논문 The Preparation and Simple Analysis of a Clay Nanoparticle Composite Hydrogel 2017-04-20
[15] 논문 Smart hydrogels for advanced drug delivery systems 2022
[16] 논문 Der Hydrogel und das kristallinische Hydrat des Kupferoxydes
[17] 간행물 "Low-molecular weight organogelators" Blackie Academic and Professional 1997
[18] 서적 Supramolecular science: where it is and where it is going Kluwer Academic Publishers 1999
[19] 논문 Rheological behavior and structural interpretation of waxy crude oil gels 2005-07
[20] 논문 Lecithin organogels as a potential phospholipid-structured system for topical drug delivery: a review 2005-10
[21] 논문 Soft matter and art conservation. Rheoreversible gels and beyond
[22] 논문 Structuring of edible oils by alternatives to crystalline fat
[23] 논문 Nanocomposite hydrogels for biomedical applications 2014-03
[24] 논문 Bioinspired Polymeric Nanocomposites for Regenerative Medicine 2014-11
[25] 논문 Influence of nanoparticle size, loading, and shape on the mechanical properties of polymer nanocomposites 2012-12
[26] 논문 Experimental Investigation of Mechanical and Thermal Properties of Silica Nanoparticle-Reinforced Poly(acrylamide) Nanocomposite Hydrogels 2015-08-24
[27] 서적 Polymer physics https://www.worldcat[...] Oxford University Press 2003
[28] 서적 Soft matter physics. https://www.worldcat[...] Oxford University Press USA 2013
[29] 서적 The theory of polymer dynamics https://www.worldcat[...] Clarendon Press 1986
[30] 논문 Grand-Reaction Method for Simulations of Ionization Equilibria Coupled to Ion Partitioning https://pubs.acs.org[...] 2020-04-28
[31] 서적 Electrostatic effects in soft matter and biophysics https://www.worldcat[...] Kluwer Academic Publishers 2001
[32] 논문 Effect of Charge Regulation and Conformational Equilibria in the Stretching Properties of Weak Polyelectrolytes https://pubs.acs.org[...] 2019-11-12
[33] 서적 Encyclopedia of Earth National Council for Science and the Environment 2010
[34] 웹사이트 'Injectable Hydrogel-based Medical Devices: "There''s always room for Jell-O"1' https://www.orthowor[...] Orthoworld.com 2013-05-19
[35] 웹사이트 岡谷製紙試験場 9koiwai.pdf http://www.naro.affr[...] 2021-12-31


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