Ejemplo de Geles

Los geles son un tipo de dispersión coloidal, cuyo medio dispersante es un sólido, y en el cual la fase dispersa es un líquido. Presentan propiedades de los líquidos y los sólidos. Una de las más relevantes es la Transición de Fase de Volumen. Este es un fenómeno muy útil para aplicaciones teóricas y prácticas.

Los investigadores Dusek y Patterson, en 1968, sugirieron la posibilidad de un cambio discontinuo en el volumen de un gel, basándose en la analogía de la transición “ovillo-glóbulo” que experimentan los polímeros en solución, predicha por Ptitsyn y Eizner en 1965.

En los geles, las propiedades típicas de un líquido se deben a que el mayor constituyente de los primeros es generalmente un líquido, como el agua. Por otra parte, los geles tienden a mantener su forma debido a que se encuentran entrecruzados formando una red; tal aspecto representa la naturaleza sólida de los geles.

Además de estas propiedades, un gel puede cambiar su estado drásticamente, de modo análogo a como un gas cambia su volumen. A los dos estados en que se manifiesta, se les llama Estado Colapsado y Estado Hinchado, correspondiendo a los estados líquido y gaseoso de los fluidos respectivamente.

El investigador Tanaka, en 1978, observó por primera vez la existencia de la Transición de Fase de Volumen en geles de poliacrilamida parcialmente ionizada y entrecruzados con N,N´- Metilenbisacrilamida en mezclas binarias de acetona-agua. Cuando la calidad termodinámica de la mezcla binaria acetona-agua baja al incrementar la composición de acetona se observa un deshinchamiento del gel.

Este deshinchamiento que se presenta es debido a que la acetona es un disolvente termodinámicamente pobre, que provoca que los segmentos de la red polimérica prefieran interactuar entre sí en lugar de con las moléculas de la mezcla acetona-agua.

La importancia de este fenómeno radica en que en ocasiones un cambio infinitesimal de una variable intensiva del sistema puede producir un notable cambio en las propiedades extensivas del gel, como el Volumen, generándose una transición de fase en el sistema.

Esta Transición de Fase de Volumen se observa no sólo cuando se modifica la composición de la mezcla, sino además modificando la temperatura, la concentración de iones, el potencial de Hidrógeno o pH, y el campo eléctrico.

Existen cinco interacciones moleculares fundamentales que posibilitan la Transición de Fase: Las Fuerzas de Van der Waals, las interacciones hidrófobas, los enlaces de Hidrógeno, las electrostáticas y las transferencias de carga.

Tipos de Geles

Los sólidos de polímeros son adecuados para la formación de geles, por su estructura de largas cadenas. La flexibilidad de estas cadenas favorece que se deformen para permitir la entrada de moléculas de disolvente dentro de su estructura tridimensional.

Los geles pueden dividirse en dos tipos, de acuerdo con la naturaleza de las uniones de la red tridimensional que los constituyen. Geles químicos y Geles físicos. 

Geles químicos

Los Geles Químicos son aquellos en los que la red está formada a través de enlaces covalentes. El enlace covalente es muy fuerte y su ruptura conduce a la degradación del gel. Por este motivo, se asume que los geles químicos no son reversibles con la temperatura; una vez separados los enlaces, no es posible que se vuelvan a formar. Es el enlace covalente el que da lugar al proceso de gelificación fuerte.

Geles Físicos

Los Geles Físicos presentan una red tridimensional formada por uniones que no son del todo estables, sino que se asocian a una reacción reversible de enlace y no enlace. Las uniones son, por lo general, del tipo Van der Waals, considerablemente más débiles que las uniones covalentes.

La diferencia principal entre los polímeros entrecruzados y los no entrecruzados, respecto al hinchamiento, radica en que en los primeros, la entrada de disolvente no es capaz de separar las cadenas macromoleculares que forman el gel por estar covalentemente unidas, mientras que en los geles físicos el mecanismo de solvatación puede desenredar y separar unas de las otras, a medida que avanza la entrada de disolvente en la red macromolecular. Esta entrada alcanza un límite o grado máximo de hinchamiento, ya que la estructura covalente no puede deformarse indefinidamente.

La apariencia externa de un gel es dependiente de la proporción de líquido contra la del sólido. En el caso de los polímeros entrecruzados, los geles mantienen su aspecto de sólidos elásticos; pero en el caso de los polímeros no entrecruzados, a medida que aumenta la proporción de líquido se va pasando desde dicho aspecto de sólido elástico al de líquido viscoso.

Sensibilidad de los Geles

La diversidad de geles existentes tiene interacciones diferentes con el cambio de condiciones, lo que hace que sus propiedades físico-químicas varíen.

Sensibilidad al medio: Por ejemplo, los hidrogeles a veces sufren cambios de volumen, respondiendo a cambios en las condiciones externas. La red polimérica es susceptible de cambiar su volumen en respuesta a un cambio en el medio como la temperatura, la composición del disolvente, la tensión mecánica, el campo eléctrico, la luz, el pH, la presión.

Sensibilidad al pH: Si un hidrogel posee grupos funcionales ionizables, entonces es probable que sea sensible a los cambios de pH en el medio, que puedan atacar a dichos grupos funcionales.

Sensibilidad a la Temperatura: La temperatura es uno de los parámetros que más afectan el comportamiento de los geles. La transición de fase en volumen de un gel termosensible se ha detectado para geles de poli-N-isopropilacrilamida en agua.

Otros estímulos que pueden influenciar el comportamiento de los hidrogeles son: La sensibilidad a la luz, la sensibilidad al campo eléctrico, y la sensibilidad a reacciones bioquímicas.

Hidrogeles

Los hidrogeles son materiales poliméricos entrecruzados en forma de red tridimensional de origen natural o sintético, que se hinchan en contacto con el agua, formando materiales blandos y elásticos, y que retienen una fracción significativa de agua en su estructura sin disolverse.

Se obtienen a través de la polimerización y el entrecruzamiento simultáneo de uno o varios monómeros mono o polifuncionales.

Son hidrófilos por la presencia de grupos funcionales solubles en agua, como el hidroxilo, el carboxilo, amida, y sulfónico. Son finalmente insolubles en agua, debido a que están constituidos por una red polimérica tridimensional en su estructura. Presentan una consistencia suave y elástica. Se hinchan en agua, aumentando su volumen hasta alcanzar un equilibrio físico-químico.

Ejemplos de Geles

Poli (ácido-gamma-glutámico)

Poli (metacrilato de 2-hidroxietilo)

Poli (vinil alcohol)

Poli (acrilamida)

Polietilenglicol

Ácido Polimetacrílico

Poli (N-vinil pirrolidona)

Poli (ácido acrílico)

Poli (N-isopropilacrilamida)