겔

겔(독일어: Gel, 영어: gel)은 콜로이드 용액이 젤리 모양으로 굳어진 상태를 가리키는 과학 용어이다. 한국어에서는 영어식 발음에 따른 '젤'이라는 표기도 널리 사용되며, 두 표기는 동일한 대상을 지칭한다. 겔은 부드럽고 약한 것부터 단단하고 질긴 것까지 다양한 특성을 가질 수 있는 반고체 물질이다.

정의

겔은 실질적으로 희석된 가교(架橋) 시스템으로 정의되며, 정상 상태에서는 흐름이 나타나지 않지만 액상은 여전히 이 시스템을 통해 확산될 수 있다. 현상학적으로는 2개 이상의 성분으로 구성된 부드럽고 고체이거나 고체와 같은 물질로 정의되며, 그중 하나는 상당한 양으로 존재하는 액체이다. 겔은 질량 기준으로 대부분 액체이지만, 액체 내부의 3차원 가교망으로 인해 고체처럼 거동한다. 겔에 구조(경도)를 부여하고 접착력(점착성)에 기여하는 것은 유체 내의 가교 구조이다.

어원

'겔'이라는 단어는 19세기 스코틀랜드의 화학자 토머스 그레이엄(Thomas Graham)이 '젤라틴(gelatin)'에서 유래하여 만들어낸 것으로 알려져 있다.

구성과 구조

겔은 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 겔)이나 이황화물 결합과 같은 화학 결합(화학 겔)에서 비롯될 수 있다. 물(하이드로겔), 오일, 공기(에어로겔)를 포함하여 사실상 거의 모든 유체가 확장제로 사용될 수 있다. 무게와 부피 측면에서 겔은 대부분 액체 구성이므로 구성 액체와 유사한 밀도를 나타낸다.

유형

겔은 그 구성과 특성에 따라 여러 유형으로 구분된다.

• 교질 겔(colloidal gel): 액체 매질 내 입자들의 침투 네트워크로 구성되며, 기계적 특성을 제공하고 특히 탄성 거동의 출현을 가능하게 한다. 교질 겔은 수명 주기에서 젤화, 노화, 붕괴의 세 단계를 거친다.

• 하이드로겔(hydrogel): 친수성 중합체 사슬의 네트워크로, 물이 분산 매질인 교질 겔의 형태로 발견되기도 한다. 하이드로겔은 흡수성이 매우 높아 90% 이상의 물을 포함할 수 있으며, 천연 또는 합성 중합체 네트워크로 구성된다. 문헌에서 '하이드로겔'이라는 용어가 처음 등장한 것은 1894년이다.

• 유기겔(organogel): 3차원 가교 네트워크에 갇힌 액체 유기 화합물 상으로 구성된 비결정성, 비유리성 열가역적 고체 재료이다. 액체는 유기 용매, 광물유 또는 식물성 기름일 수 있다.

• 제로겔(xerogel): 젤을 방해받지 않는 수축을 동반하며 건조시켜 형성된 고체이다. 일반적으로 매우 작은 공극 크기(1~10 nm)와 높은 다공성(15~50%) 및 거대한 표면적(150~900 m²/g)을 유지한다.

• 나노복합체 하이드로겔(nanocomposite hydrogel): 물리적 또는 공유결합으로 서로 및 나노입자나 나노구조와 가교된 고수화 중합체 네트워크이다. 천연 조직의 특성, 구조 및 미세 환경을 모방할 수 있다.

특성

많은 겔이 요변성(搖變性, thixotropy)을 나타내어, 흔들면 액체가 되지만 가만히 두면 다시 고체화된다. 일반적으로 겔은 겉보기에 고체인 젤리 같은 물질이며, 비뉴턴 유체의 일종으로 분류된다. 액체를 기체로 대체함으로써 매우 낮은 밀도, 높은 비표면적 및 우수한 단열 특성을 지닌 에어로겔을 제조하는 것이 가능하다.

겔은 중합체 네트워크와 용매 상의 혼합물로, 늘어날 때 네트워크 가교가 서로 더 멀리 떨어지며 가교 사이의 중합체 가닥이 엔트로피 스프링으로 작용하여 고무 탄성과 같은 탄성을 보여준다. 또한 겔은 용매에 담갔을 때 초기 부피의 몇 배로 팽창할 수 있는 팽윤(膨潤) 현상을 나타낸다.

응용

겔은 다양한 분야에서 활용된다. 식품(식용 젤리, 묵 등), 화장품(헤어젤), 의약품(약물 전달 매트릭스), 광섬유 통신(케이블 내부 충전재) 등에서 널리 사용된다. 생체 내에는 점액, 눈의 유리체, 연골, 힘줄 및 혈전 등이 자연적으로 존재하는 하이드로겔로 분류된다. 연구자들은 일시적 및 영구적 임플란트를 위해 하이드로겔에서 유래한 합성 조직 교체 기술을 개발하고 있다.

겔을 형성하는 과정을 겔화(gelation)라고 하며, 이는 고분자화학에서 중합체 시스템에 겔이 형성되는 현상을 의미한다.