I gel sono strutture del tutto particolari costituiti da un reticolo tridimensionale, generalmente polimerico, all’interno del quale sono intrappolate grandi quantità di liquido (molto spesso acqua).
Il reticolo tridimensionale può essere formato da catene polimeriche ‘reticolate’ ovvero legate insieme da legami covalenti inter-molecolari: in questo caso si parla di gel chimico. Oppure può essere formato da catene polimeriche legate insieme da interazioni inter-molecolari più o meno forti (legami a idrogeno, forze di Van Deer Waals..): in questo caso si parla di gel fisico.
Quando sciogliamo un polimero in un solvente, il sistema che si ottiene (soluzione) è costituito da macromolecole singole completamente contornate da molecole di solvente (solvatate) con il quale si stabiliscono delle interazioni più o meno forti.
La soluzione è molto più viscosa del solvente a causa delle numerose interazioni polimero-solvente e all’ingombro sterico delle macromolecole. Tanto più concentrata è la soluzione, tanto più viscosa essa risulta:
macromolecole in soluzione diluita e in soluzione concentrata
Qualora le catene di polimero siano legate da forti interazioni inter-molecolari (es.legami a idrogeno), l’aggiunta di un solvente provoca facilmente la formazione di un gel fisico: le interazioni inter-molecolari tengono infatti legate le catene polimeriche in un reticolo tridimensionale che lascia penetrare il solvente. Come risultato il polimero rigonfia per progressiva penetrazione del solvente, da opaco e rigido diventa morbido e trasparente.
I gel fisici possono essere ‘distrutti’ con la conseguente formazione di una soluzione, rompendo le interazioni inter-molecolari che vincolano le catene, ad esempio per semplice riscaldamento:
Un esempio tipico di gel fisico è la gelatina, che è formata principalmente da collagene proteico, un polimero naturale. Tra le catene di collagene si stabiliscono forze inter-molecolari forti: i legami a idrogeno, responsabili del differente comportamento del collagene in acqua in funzione della temperatura. L’acqua calda, in grado di rompere i legami a idrogeno, scioglie il polimero, mentre l’acqua fredda penetra nel reticolo rigonfiandolo. Inoltre, raffreddando una soluzione di collagene, il ripristino dei legami a idrogeno provoca la gelatinizzazione del sistema: l’acqua rimane intrappolata nel reticolo.
Anche altri polimeri naturali formano gel fisici, come ad esempio la pectina, l'agar, e l'amido. Questa è la ragione per cui vengono usati nell'industria come addensanti, che conferiscono maggiore consistenza a molti cibi.
Nel caso infine in cui i polimeri siano reticolati, ovvero i vincoli inter-molecolari siano costituiti da legami covalenti, la penetrazione di un liquido affine porta nuovamente alla formazione di un gel, ma questa volta la struttura è irreversibile: i legami tra le catene non possono essere rotti e la soluzione non si può formare.
Le lenti a contatto, ad esempio, sono gel chimici, costituiti da polimeri sintetici reticolati.
