コロイド

コロイドは、微視的に分散した不溶性粒子からなる物質が別の物質全体に懸濁している混合物である。いくつかの定義では、粒子は液体中に分散していなければならないと規定しているが^[1]、他の定義では、エアロゾルやゲルなどの物質も含まれるように定義が拡張されている。コロイド懸濁液という用語は、混合物全体を一義的に指す（ただし、狭義の懸濁液は、粒子サイズが大きい点でコロイドと区別される）。コロイドには、分散相（懸濁粒子）と連続相（懸濁液の媒体）がある。分散相粒子の直径は約1ナノメートルから1マイクロメートルである。^{[2] [3]}

一部のコロイドは、コロイド内の粒子による光の散乱であるチンダル効果により半透明になります。その他のコロイドは不透明であったり、わずかに色が付いている場合があります。

コロイド懸濁液は界面およびコロイド科学 の対象です。この研究分野は1845年にフランチェスコ・セルミ^{[4] [5] [ 6] [7]}によって始まり、彼はこれを擬似溶液と呼び、マイケル・ファラデー^[8]とトーマス・グラハムによって拡大され、 1861年にコロイドという用語が生まれました^[9]。

コロイドは次のように分類できます。

このサイズ範囲の分散相を持つ均質な混合物は、コロイドエアロゾル、コロイドエマルジョン、コロイド懸濁液、コロイド泡、コロイド分散液、またはハイドロゾルと呼ばれることがあります。

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  エアロゲル
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  ゼリーキューブ
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  淡い乳白色のコロイドシリカゲル
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  ホイップクリーム
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  ヘアジェルを少々
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  クリームは油と水の半固体乳剤です。水中油型クリームは化粧品に使用され、油中水型クリームは医療目的に使用されます。
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  オパールのチンダル効果:
  青い光が散乱し、横から見ると青く見えますが、オレンジ色の光が透過します。
  オパールは、シリカ結晶に水が分散したゲルです。
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  牛乳-水中に分散した液状バター脂肪球の乳化物
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  ミスト

ハイドロコロイドとは、水中でコロイド状に分散可能な特定の化学物質（主に多糖類とタンパク質）を指します。このようにして効果的に「溶解」し、粘度を上昇させたりゲル化を誘発したりすることで水のレオロジーを変化させます。他の化学物質と相互作用する可能性があり、場合によっては相乗効果、場合によっては拮抗効果があります。これらの特性を利用すると、ハイドロコロイドは非常に有用な化学物質となり、食品から医薬品、パーソナルケア、工業用途まで、多くの技術分野で安定化、不安定化、分離、ゲル化、流動制御、結晶化制御、その他多数の効果を発揮します。可溶性形態の用途とは別に、一部のハイドロコロイドは、溶解後に水を除去すると乾燥形態で追加の有用な機能を発揮します。たとえば、呼吸ストリップやソーセージケーシング用のフィルムの形成、または創傷被覆材の繊維などです。一部の繊維は他の繊維よりも皮膚との適合性が高いです。ハイドロコロイドには多くの種類があり、それぞれ構造機能と有用性が異なり、一般的にレオロジーの制御や形状と質感の物理的改変における特定の応用分野に最適です。デンプンやカゼインなどのハイドロコロイドは、レオロジー改質剤であるだけでなく有用な食品ですが、他のハイドロコロイドは栄養価が限られており、通常は繊維源を提供します。^[15]

ハイドロコロイドという用語は、皮膚の水分を閉じ込め、皮膚の自然治癒プロセスを助けて、傷跡、かゆみ、痛みを軽減するように設計された 一種の包帯を指すこともあります。

ハイドロコロイドには、カルボキシメチルセルロースナトリウム (NaCMC) やゼラチンなどのゲル形成剤が含まれています。通常、ハイドロコロイドは、皮膚に「くっつく」ために、ポリウレタンなどのシーラントと組み合わせて使用​​されます。

コロイドには分散相と連続相があるが、溶液では溶質と溶媒は1つの相のみを構成する。溶液中の溶質は個々の分子またはイオンであるが、コロイド粒子はそれより大きい。例えば、水中の塩の溶液では、塩化ナトリウム（NaCl）の結晶が溶解し、Na ⁺イオンとCl ⁻イオンは水分子に囲まれている。しかし、牛乳などのコロイドでは、コロイド粒子は個々の脂肪分子ではなく、脂肪の球体である。コロイドは複数の相であるため、完全に混合された連続溶液と比較して非常に異なる特性を持つ。^[16]

コロイド粒子の相互作用においては、以下の力が重要な役割を果たします。^{[17] [18]}

• 排除体積反発力: 硬い粒子間の重なりが不可能であることを意味します。
• 静電相互作用: コロイド粒子は電荷を帯びていることが多く、そのため互いに引き付けたり反発したりします。連続相と分散相の両方の電荷、および相の移動度が、この相互作用に影響を与える要因です。
• ファンデルワールス力: これは、永久または誘導された 2 つの双極子間の相互作用によるものです。粒子に永久双極子がない場合でも、電子密度の変動により粒子内に一時的な双極子が生じます。この一時的な双極子は、近くの粒子に双極子を誘導します。そして、一時的な双極子と誘導された双極子は互いに引き付けられます。これはファンデルワールス力として知られ、常に存在し (分散相と連続相の屈折率が一致しない限り)、短距離で、引力があります。
• 立体力: コロイドの表面をコーティングする吸着ポリマーによって典型的に発生する反発立体力。
• 枯渇力: コロイドが枯渇物と呼ばれる非常に小さな粒子またはポリマーの媒体に懸濁しているときに、浸透圧の不均衡から生じるエントロピー引力。

地球の重力場はコロイド粒子に作用します。したがって、コロイド粒子の密度が懸濁媒体よりも高い場合は沈降し(下に落ちる)、低い場合はクリーム状になります (上に浮かぶ)。また、粒子が大きいほど、ブラウン運動による動きに対抗する 力が小さくなるため、沈降する傾向が強くなります。

沈降速度またはクリーミング速度は、ストークスの抗力と重力を等しくすることで求められます。

${\displaystyle m_{A}g=6\pi \eta rv}$

どこ

${\displaystyle m_{A}g}$コロイド粒子のアルキメデスの重さである。

${\displaystyle \eta }$懸濁液の粘度であり、

${\displaystyle r}$コロイド粒子の半径、

沈降速度またはクリーミング速度です 。${\displaystyle v}$

コロイド粒子の質量は次のように求められます。

${\displaystyle m_{A}=V(\rho _{1}-\rho _{2})}$

どこ

${\displaystyle V}$は球の体積を用いて計算されたコロイド粒子の体積である。${\displaystyle V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}}$

コロイド粒子と懸濁液媒体間の質量密度の差です 。${\displaystyle \rho _{1}-\rho _{2}}$

並べ替えると、沈降またはクリーミング速度は次のようになります。

${\displaystyle v={\frac {m_{A}g}{6\pi \eta r}}}$

コロイド粒子の直径には上限があり、1μmを超える粒子は沈殿する傾向があり、その物質はもはやコロイド懸濁液とはみなされなくなる。^[19]

沈降速度がブラウン運動による移動速度と等しい場合、 コロイド粒子は沈降平衡にあると言われます。

コロイドを調製する方法は主に2つある。^[20]

• 粉砕、噴霧、またはせん断（例：振とう、混合、高せん断混合）の適用によって、大きな粒子または液滴をコロイドの大きさまで分散させること。
• 沈殿、凝縮、または酸化還元反応によって、溶解した小さな分子がより大きなコロイド粒子に凝縮されます。このようなプロセスは、コロイド状シリカや金の製造に使用されます。

コロイド系の安定性は、粒子が溶液中に浮遊しているかどうかで決まり、粒子間の相互作用力に依存します。これには静電相互作用とファンデルワールス力が含まれます。これらは両方ともシステム全体の自由エネルギーに寄与するからです。 ^[21]

コロイドは、コロイド粒子間の引力による相互作用エネルギーがkT未満である場合に安定します。ここで、 k はボルツマン定数、 T は絶対温度です。この場合、コロイド粒子は互いに反発するか、弱く引き合うだけになり、物質は懸濁液のままになります。

相互作用エネルギーがkTより大きい場合、引力が勝り、コロイド粒子が凝集し始めます。このプロセスは一般に凝集と呼ばれますが、凝集、凝固、または沈殿とも呼ばれます。^[22]これらの用語はしばしば互換的に使用されますが、定義によっては意味がわずかに異なります。たとえば、凝固は、粒子を結合する力が攪拌または混合によって引き起こされるどの外力よりも強い、不可逆で永続的な凝集を説明するために使用できます。凝集は、より弱い引力を含む可逆的な凝集を説明するために使用でき、凝集体は通常フロックと呼ばれます。沈殿という用語は通常、コロイド分散液が摂動を受けたときに固体（沈殿物）への相変化を説明するために使用されます。^[19]凝集は沈降またはクリーミングを引き起こすため、コロイドは不安定です。これらのプロセスのいずれかが発生すると、コロイドは懸濁液ではなくなります。

静電安定化と立体安定化は、凝集に対する安定化の 2 つの主なメカニズムです。

• 静電安定化は、同種の電荷の相互反発に基づいています。コロイド粒子の電荷は電気二重層構造になっており、粒子は表面で帯電しますが、粒子を取り囲む対イオン（反対の電荷を持つイオン）を引き付けます。浮遊コロイド粒子間の静電反発は、ゼータ電位によって最も簡単に定量化できます。凝集に対するファンデルワールス力と静電反発力の組み合わせ効果は、DLVO理論によって定量的に説明されます。^[23]コロイドを安定化（沈殿物から変換）する一般的な方法は、コロイドを電解質と一緒に振るプロセスであるペプト化です。
• 立体安定化は、粒子にポリマーまたは界面活性剤の層を吸着させて、粒子が引力の範囲内で接近するのを防ぐことです。^[19]ポリマーは粒子表面に付着した鎖で構成されており、伸びた鎖の部分は懸濁液媒体に溶けます。^[24]この技術は、有機溶媒を含むあらゆる種類の溶媒中のコロイド粒子を安定化するために使用されます。^[25]

2 つのメカニズムの組み合わせも可能です (電気立体安定化)。

ゲルネットワーク安定化と呼ばれる方法は、凝集と沈降の両方に対して安定したコロイドを生成するための主な方法です。この方法は、コロイド懸濁液にゲルネットワークを形成できるポリマーを加えることです。粒子が捕捉されているポリマーマトリックスの剛性により粒子の沈降が妨げられ、^{[26]長いポリマー鎖は分散粒子に立体的または電気立体的な安定化をもたらすことができます。このような物質の例としては、}キサンタンやグアーガムがあります。

不安定化はさまざまな方法で実現できます。

• 粒子の凝集を防ぐ静電バリアの除去。これは、懸濁液に塩を加えて粒子のデバイ遮蔽長（電気二重層の幅）を短くすることで実現できます。また、懸濁液の pH を変えて、懸濁液中の粒子の表面電荷を効果的に中和することでも実現できます。 ^[1]これにより、コロイド粒子を分離させている反発力がなくなり、ファンデルワールス力による凝集が可能になります。pH のわずかな変化でも、ゼータ電位に大きな変化が生じることがあります。ゼータ電位の大きさが特定の閾値（通常は ± 5mV 程度）を下回ると、急速な凝固または凝集が発生する傾向があります。^[27]
• 帯電ポリマー凝集剤の添加。ポリマー凝集剤は、静電相互作用によって個々のコロイド粒子を架橋することができます。たとえば、負に帯電したコロイドシリカまたは粘土粒子は、正に帯電したポリマーを添加することで凝集することができます。
• エントロピー効果により凝集を引き起こす、デプレタントと呼ばれる非吸着ポリマーの添加。

低体積分率の不安定なコロイド懸濁液はクラスター状の液体懸濁液を形成し、個々の粒子クラスターは、懸濁液媒体よりも密度が高い場合は沈殿し、密度が低い場合はクリーム状になります。しかし、高体積分率のコロイド懸濁液は、粘弾性特性を持つコロイドゲルを形成します。ベントナイトや歯磨き粉などの粘弾性コロイドゲルは、せん断下では液体のように流れますが、せん断が除去されると形状を維持します。このため、歯磨き粉は歯磨き粉チューブから絞り出すことができますが、塗布後は歯ブラシに残ります。

製品の分散状態を監視し、不安定化現象を識別および定量化するために最も広く使用されている技術は、垂直走査と組み合わせた多重光散乱です。 ^{[28] [29] [30] [31]}濁度測定法として知られるこの方法は、サンプルを通過した後、コロイド粒子によって後方散乱された光の割合を測定することに基づいています。後方散乱強度は、分散相の平均粒子サイズと体積分率に正比例します。したがって、沈降またはクリーミングによって引き起こされる濃度の局所的な変化、および凝集によって引き起こされる粒子の凝集が検出され、監視されます。^[32]これらの現象は不安定なコロイドに関連しています。

動的光散乱は、コロイド粒子が拡散する速度を測定することで、コロイド粒子のサイズを検出するために使用できます。この方法では、レーザー光をコロイドに向けます。散乱光は干渉パターンを形成し、このパターンの光強度の変動は粒子のブラウン運動によって引き起こされます。凝集によって粒子が凝集して見かけのサイズが大きくなると、ブラウン運動が遅くなります。この技術では、見かけの粒子サイズがコロイド粒子の一般的なサイズ範囲を超えていると判断された場合、凝集が起こったことを確認できます。^[21]

不安定化の運動過程はかなり長くなることがあります (製品によっては数か月から数年かかることもあります)。そのため、新製品設計の適切な開発期間に達するには、配合者がさらに加速法を使用する必要があることがよくあります。最も一般的に使用されているのは熱的方法で、不安定化を加速するために温度を上昇させます (転相または化学分解の臨界温度未満)。温度は粘度だけでなく、非イオン性界面活性剤の場合は界面張力、より一般的にはシステム内の相互作用力にも影響します。分散液を高温で保管すると、製品の実際の使用条件をシミュレートできます (例: 夏の車内の日焼け止めクリームのチューブ)。また、不安定化プロセスを最大 200 倍まで加速することもできます。振動、遠心分離、撹拌などの機械的加速が使用されることもあります。これらは、粒子/液滴を互いに押し付けるさまざまな力を製品に与え、膜の排水を助けます。一部のエマルジョンは、通常の重力では決して凝集しませんが、人工重力では凝集します。^[33]遠心分離と振動を使用すると、異なる粒子集団の分離が強調される。^[34]

物理学では、コロイドは原子の興味深いモデル系である。^[35]マイクロメートル規模のコロイド粒子は、共焦点顕微鏡などの光学技術で観察できるほど大きい。排除体積相互作用や静電気力など、物質の構造と挙動を支配する力の多くは、コロイド懸濁液の構造と挙動を支配する。例えば、理想気体をモデル化するのと同じ技術を、硬球コロイド懸濁液の挙動のモデル化に適用できる。コロイド懸濁液の相転移は、光学技術を使用してリアルタイムで研究することができ、^[36]液体の相転移に類似している。多くの興味深いケースでは、光学的流動性がコロイド懸濁液の制御に使用されている。^{[36] [37]}

コロイド結晶は、非常に長い範囲（通常は数ミリメートルから1センチメートル程度）にわたって形成される、原子や分子の対応物と類似した、高度に秩序立った粒子の配列である。 ^{[38]この秩序現象の最も優れた}自然の例の1つは、貴石オパールに見られる。オパールでは、二酸化ケイ素（シリカ、SiO ₂）の非晶質コロイド球の密集した領域から、純粋なスペクトル色の鮮やかな領域が生じる。 ^{[39] [40]}これらの球状粒子は、オーストラリアやその他の地域の非常に珪質のプールに沈殿し、静水圧と重力による何年もの沈降と圧縮を経て、これらの高度に秩序立った配列を形成する。サブミクロンの球状粒子の周期的配列は、同様の隙間空隙配列を提供し、特に隙間間隔が入射光波と同じ桁である場合、可視光波の自然な回折格子として機能する。^{[41] [42]}

このように、反発的な クーロン相互作用により、水性環境中の電荷を帯びた 高分子は、粒子間の分離距離が個々の粒子の直径よりもかなり大きい場合が多く、長距離の結晶のような相関関係を示す可能性があることは、長年知られていました。自然界のこれらすべての場合において、同じ鮮やかな虹彩（または色の遊び）は、結晶固体におけるX線の散乱に類似した、ブラッグの法則を満たす可視光波の回折と建設的干渉に起因すると考えられます。

いわゆる「コロイド結晶」の物理と化学を研究する多数の実験は、過去20年間に開発された比較的単純な合成単分散コロイド（ポリマーと鉱物の両方）を調製し、さまざまなメカニズムを通じてその長距離秩序形成を実現および維持する手法の結果として生まれた。 ^[43]

コロイド相分離は、細胞の細胞質と核の両方を生体分子凝縮物に区画化するための重要な組織化原理であり、液晶の一種である脂質二重膜を介した区画化の重要性に似ています。生体分子凝縮物という用語は、細胞内の液体-液体または液体-固体相分離によって生じる高分子のクラスターを指すために使用されています。高分子の密集により、コロイド相分離と生体分子凝縮物の形成が大幅に促進されます。

コロイド粒子は、 表層水（海水、湖沼、河川、淡水域）や亀裂のある岩石^[45] （石灰岩、砂岩、花崗岩など）を循環する地下水に含まれるさまざまな汚染物質の輸送ベクター^[44]としても機能します。放射性核種と重金属は、水中に浮遊するコロイドに容易に吸着します。さまざまな種類のコロイドが認識されています：無機コロイド（粘土粒子、ケイ酸塩、鉄オキシ水酸化物など）、有機コロイド（フミン酸およびフルボ酸物質）など。重金属または放射性核種が独自の純粋なコロイドを形成する場合、「固有コロイド_{」という用語は、純粋な相、つまり純粋な Tc(OH) 4}、 U(OH) ₄、または Am(OH) ₃を示すために使用されます。ネバダ核実験場では、コロイドがプルトニウムの長距離輸送の原因であると考えられてきました。これらは長年にわたり詳細な研究の対象となってきました。しかし、圧縮されたベントナイトや深部粘土層では、高密度粘土膜で限外濾過が起こる ため、無機コロイドの移動性は非常に低くなります。[ ^{46 ] [47]} 真に溶解した有機分子と間隙水中にしばしば混ざる小さな有機コロイドについては、この問題は明確ではありません。^[48]

土壌科学では、土壌中のコロイド成分は、直径1μm未満の小さな粘土と腐植 粒子で構成されており、土壌サンプルの化学的条件、つまり土壌pHに応じて変化する正または負の静電気を帯びています。^[49]

点滴療法で使用されるコロイド溶液は、容積増量剤の主要なグループに属し、点滴液の補充に使用できます。コロイドは血液中のコロイド浸透圧を高く維持するため、 ^[50]理論的には血管内容積を優先的に増加させるはずですが、晶質液と呼ばれる他のタイプの容積増量剤も間質容積と細胞内容積を増加させます。ただし、この違いによる実際の有効性の違いについては依然として議論があり、^{[50]コロイドのこの使用に関連する研究の多くは、}ヨアヒム・ボルトによる不正な研究に基づいています。^[51]もう1つの違いは、晶質液は一般にコロイドよりもはるかに安価であることです。^[50]