Gels

Gels ir želejveidīgs mīksts materiāls, kas var būt gan mīksts un trausls, gan ciets un izturīgs. Geli ir definēti kā mazas koncentrācijas izšķīdusi šķērssaišu sistēma, kurai miera stāvoklī nav plūsmas . Pēc svara geli pārsvarā ir šķidrumi, tomēr tie darbojas kā cietvielas, jo šķidrumā atrodas komplekss šķērssaistīto saišu tīkls. Šķidrumā veidojošās šķērssaites ir tās, kas nodrošina gela struktūru (cietību) un veicina savstarpējo mijiedarbību (saķeri), bet jāatceras, ka šo šķērssaišu vielā nav daudz — tikai pāris procenti. Tādējādi gels ir šķidruma molekulu dispersija cietā vielā, kurā šķidras daļiņas ir disperģētas cietā vidē. Vārdu gels pirmoreiz lietoja skotu ķīmiķis Tomas Grahams, atvasinot to no želatīna .

Uzbūve

Gels sastāv no cieta trīsdimensiju tīkla, kas caurvij šķidrās vides tilpumu un nostiprina to ar  virsmas spraiguma palīdzību. Šī iekšējā tīkla struktūra var rasties no fiziskām saitēm (fiziskiem geliem) vai ķīmiskajām saitēm (ķīmiskajiem geliem), kā arī kristalītiem vai citiem savienojumiem, kas šķidrumā paliek veseli. Gandrīz jebkurš šķidrums var būt gela vide, ieskaitot ūdeni (ūdens geli jeb hidrogeli), eļļu un gaisu (aerogeli). Gan pēc svara, gan tilpuma geli galvenokārt sastāv no šķidruma un tādējādi to blīvums ir tuvs to sastāvā esošajiem šķidrumiem. Ēdamās želejas ir ikdienišķs piemērs parastam hidrogelam, un tam ir aptuveni ūdens blīvums.

Daudzjonu polimēri

Daudzjonu polimēri ir polimēri ar jonu funkcionālo grupu. Jonu lādiņi novērš cieši sasaistītu polimēru ķēžu veidošanos. Tādējādi tie ir viskozāki, jo izstieptais polimērs aizņem vairāk vietas. Tas ir arī iemesls, kāpēc gels sacietē.

Elastība

Trīsdimensiju cietā tīkla dēļ geliem ir izteikta forma, tie deformējas, kad pielikts ārējs spēks, bet atgūst vai daļēji atgūst savu formu pēc spēka iedarbības. Tādēļ tos var saukt par elastīgiem materiāliem, molekulārās uzbūves (polimēru ķēžu) dēļ gelus var deformēt pat līdz desmitiem vai simtiem procentu, nesalaužot tos.

Uzbriešana

Kā minēts, gels sastāv no trīsdimensiju struktūras un šķīdinātāja, tātad gels var mainīt savu tilpumu, uzsūcot vai atbrīvojoties no šķīdinātāja. Piemērs ir ievietojot sausu gelu šķīdinātājā, tas absorbēs to no apkārtnes. Šo procesu sauc par uzbriešanu.

Tiksotropija

Daudziem geliem piemīt tiksotropija - tie plūst, kad pielikts spēks, bet paliek nekustīgi miera stāvoklī (kečups). Kopumā geli ir cieti, želejai līdzīgi materiāli. Gels ir neņūtona šķidruma veids. Aizvietojot šķidrumu ar gāzi, ir iespējams iegūt aerogelus, materiālus ar izcilām īpašībām, ieskaitot ļoti mazu blīvumu, lielus virsmas laukumus un lieliskas siltumizolācijas īpašības.

Pielietojumi

Daudzas vielas var veidot gelus, ja tām pievieno piemērotu biezinātāju. Šī pieeja ir izplatīta, ražojot plašu produktu klāstu, sākot no pārtikas produktiem līdz krāsām un līmēm.
Šķiedru optikas sakaros mīkstais gels, kas līdzinās "matu želejai" viskozitātē, tiek izmantots, lai aizpildītu plastmasas caurules, kas satur šķiedras. Gela galvenais mērķis ir novērst ūdens ielaušanos, ja bufera caurule tiek ielauzta vai saliekta ap stūri uzstādīšanas laikā.

Organogeli

Organogels ir nekristālisks, termoplastisks ciets materiāls, kas sastāv no šķidras organiskā fāzes, kas ietverts trīsdimensiju savstarpēji saistītā tīklā. Šķidrums var būt, piemēram, organiskais šķīdinātājs, minerāleļļa vai augu eļļa. Struktūras šķīdība un daļiņu izmēri ir svarīgas organogela elastības un stingrības īpašības. Bieži vien šīs sistēmas ir balstītas uz strukturējošo molekulu pašsakārtotību . Nevēlamu termoplastisku tīklu veidošanās piemērs ir vasku kristalizācijas rašanās naftas produktos .
Organogēniem ir potenciāls vairākiem pielietojumiem, piemēram, farmācijā, kosmētikā, mākslas saglabāšanā un pārtikā.

Kserogeli

Kserogels ir cieta viela, kas veidojas no gela, tam žūstot, ja nekas netraucē tā saraušanos. Kserogels parasti saglabā augstu porainību (15–50 %) un milzīgu virsmas laukumu (150–900 m²/ g), kā arī ļoti mazu poru izmēru (1–10 nm). Ja šķīdinātāju žūšana notiek pārkritisko apstākļu dēļ, tīkls nesamazinās un tiek ražots ļoti porains, zema blīvuma materiāls, kas pazīstams kā aerogels. Termiski apstrādājot kserogelu paaugstinātā temperatūrā, rodas viskoza saķepināšana (kserogela saraušanās neliela viskoza plūsmas daudzuma dēļ) un poraina gela pārvēršana par blīvu stiklu.
Populārs kserogelu piemērs ir silīcija kserogels - amorfa un poraina silīcija dioksīda forma, kura poru izmērs ir ap 2,4 nm. Tas ļoti labi saistās ar ūdeni, tāpēc to izmanto kā žāvētāju. Silīcija kserogelam ir liels īpatnējais virsmas laukums (ap 800 m²/g) tādējādi ļaujot materiālam ātri absorbēt ūdeni.

Nanokompozītu hidrogeli

Nanokompozītu hidrogeli   vai hibrīdie hidrogeli ir ļoti hidratēti polimēru tīkli, kas fiziski vai kovalenti savstarpēji saistīti ar sevi un/ vai ar nanodaļiņām vai nanostruktūrām. Nanokompozītu hidrogeli var atdarināt vietējās audu īpašības, struktūru un mikro vidi sakarā ar to hidratēto un savstarpēji saistīto poraino struktūru. Hidrogela struktūrā var iekļaut plašu nanodaļiņu klāstu, piemēram, oglekļa bāzes, polimēru, keramikas un metāliskos nanomateriālus, lai iegūtu nanokompozītus ar pielāgotu funkcionalitāti. Nanokompozītu hidrogelus var konstruēt tā, lai tiem būtu vērtīgākas fizikālās, ķīmiskās, elektriskās un bioloģiskās īpašības.

Dzīvnieku radītie geli

Dažas sugas izdala sekrētus, kas ir efektīvi parazītu kontrolē. Piemēram, vaļi izdala enzīmu gelu, kas pārklāj tā ķermeni un palīdz novērst citu organismu koloniju veidošanos uz tā .
Hidrogeli, kas dabiski atrodas organismā, ir gļotas, skrimšļi, cīpslas un asins recekļi. To viskoelastiskā daba rada ķermeņa mīksto audu komponenti, kas atšķiras no skeleta sistēmas minerālu saturošiem cietajiem audiem. Pētnieki aktīvi attīsta sintētiski iegūtas audu aizvietošanas tehnoloģijas, kas iegūtas no hidrogeliem, gan pagaidu implantiem (noārdāmiem), gan pastāvīgiem implantiem (nesadalāmiem) .