コロイド

コロイドとは、微細に分散した不溶性粒子からなるある物質が、別の物質全体に懸濁している混合物のことである。定義によっては、粒子が液体中に分散していなければならないと規定しているものもあるが^{[ 1 ]}、エアロゾルやゲルなどの物質も含むように定義を拡張しているものもある。コロイドは、分散相（懸濁粒子）と連続相（懸濁液の媒体）から構成される。コロイド懸濁液という用語は、混合物全体を明確に指す。（より狭義には、コロイドは粒子サイズが小さいという点で他の種類の懸濁液と区別される。）

コロイドの中には、チンダル現象（コロイド中の粒子による光の散乱）によって半透明になるものがあります。一方、不透明なものや、わずかに色を帯びているものもあります。

コロイド懸濁液は界面科学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[ ^{2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}が擬似溶液と呼んだことから始まり、後にマイケル・ファラデー^{[ 6 ] [ 7 ]}とトーマス・グラハムによって拡張され、グラハムは1861年にコロイドという用語を造語しました^{[ 8 ]。}

コロイドの定義は非常に曖昧であるため、国際純正・応用化学連合（IUPAC）はコロイドの現代的な定義を正式に定めた。

コロイドという用語は、細分化された状態を指し、媒体中に分散した分子または多分子粒子が少なくとも一方向において約 1ナノメートルから 1マイクロメートルの間の寸法を持つか、またはシステム内にそのオーダーの距離で不連続性が見られることを意味します。3 次元すべてがコロイド範囲にある必要はありません...また、コロイドシステムの単位が離散的である必要もありません...上記のサイズ制限は、検討対象の特性にある程度依存するため、厳密なものではありません。^{[ 12 ]}

このIUPACの定義は、コロイド系に内在する柔軟性を強調しているため、特に重要です。しかし、コロイドに関する混乱の多くは、単純化しすぎから生じています。IUPACは例外が存在することを明確にし、この定義を厳格な規則と見なすべきではないと述べています。IUPACの定義を書いた科学者であるDH Everettは、コロイドは厳密な定義よりも例を通して理解する方がよい場合が多いことを強調しました。^{[ 13 ]}

コロイドは以下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一混合物は、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、コロイドフォーム、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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  淡い乳白色のコロイド状シリカゲル
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  少量のヘアジェル
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  クリームは、油と水の半固体エマルジョンです。水中油型クリームは化粧品として、油中水型クリームは医薬品として使用されます。
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  オパールにおけるチンダル現象：青い光を散乱させるため、横から見ると青く見えるが、オレンジ色の光は透過する。オパールは、シリカ結晶中に水が分散したゲル状物質である。
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  ミスト

ハイドロコロイドとは、水にコロイド状に分散する特定の化学物質（主に多糖類とタンパク質）を指します。そのため、実質的に「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。また、他の化学物質と相互作用する効果も持ち、相乗効果を示す場合もあれば、拮抗効果を示す場合もあります。これらの特性を利用して、ハイドロコロイドは食品から医薬品、パーソナルケア製品、工業用途に至るまで、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するため、非常に有用な化学物質です。溶解形態での使用以外にも、ハイドロコロイドの中には、溶解後に水分を除去することで乾燥形態でも追加の機能を発揮するものがあります。例えば、呼吸ストリップフィルム、人工ソーセージケーシング、創傷被覆材繊維（皮膚との適合性が異なるものもある）などが挙げられます。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、用途が異なります。特定の用途分野に最適なものは、レオロジーの制御と形状およびテクスチャの物理的変更によって決まる場合がある。コーンスターチやカゼインなどの一部のハイドロコロイドは、レオロジー調整剤としてだけでなく、有用な食品でもある。その他は、通常、食物繊維の供給源となるなど、限られた栄養価しか持たない。^{[ 16 ]}   

ハイドロコロイドという用語は、皮膚の水分を閉じ込め、皮膚の自然治癒過程を助け、傷跡、かゆみ、痛みを軽減するように設計された創傷被覆材の一種を指す場合もあります。

コロイドは分散相と連続相を持つが、溶液では溶質と溶媒が1つの相を構成するだけである。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も大きい。例えば、水に溶かした食塩水では、塩化ナトリウム（NaCl）の結晶が溶解し、Na ⁺イオンとCl-^イオンが水分子に囲まれている。しかし、牛乳のようなコロイドでは、コロイド粒子は個々の脂肪分子ではなく、脂肪の球状粒子である。コロイドは複数の相を持つため、完全に混合された連続溶液とは性質が大きく異なる。^{[ 17 ]}

コロイド粒子の相互作用には、以下の力が重要な役割を果たします。^{[ 18 ] [ 19 ]}

• 排除体積反発：これは、硬い粒子同士が重なり合うことが不可能であることを指します。
• 静電相互作用：コロイド粒子はしばしば電荷を帯びるため、互いに引き合ったり反発し合ったりします。連続相と分散相の両方の電荷、および各相の移動度は、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、永久双極子または誘起双極子の2つの間の相互作用によって生じます。粒子が永久双極子を持たない場合でも、電子密度の変動によって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起します。すると、一時的な双極子と誘起された双極子は互いに引き合います。これがファンデルワールス力として知られており、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、引力です。
• 立体障害力：コロイドの表面を覆う吸着ポリマーによって生じる反発的な立体障害力。
• 枯渇力：コロイドが枯渇剤と呼ばれるはるかに小さな粒子またはポリマーの媒体中に懸濁されているときに、浸透圧の不均衡から生じる引力的なエントロピー力。

地球の重力場はコロイド粒子に作用します。そのため、コロイド粒子が懸濁液の媒体よりも密度が高い場合は沈殿（底に沈む）し、密度が低い場合は浮上（表面に浮かぶ）します。また、粒子が大きいほど、この動きに対抗するブラウン運動が小さくなるため、沈殿する傾向が強くなります。

沈降速度またはクリーム化速度は、ストークスの抗力と重力を等しくすることによって求められます。

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

どこ

${\displaystyle m_{A}g}$はコロイド粒子のアルキメデス重量であり、

${\displaystyle \eta }$は懸濁液の粘度であり、

${\displaystyle r}$はコロイド粒子の半径であり、

そして${\displaystyle v}$これは沈降速度またはクリーム化速度です。

コロイド粒子の質量は、以下の方法で求められます。

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

どこ

${\displaystyle V}$これは、球の体積を用いて計算したコロイド粒子の体積である。${\displaystyle V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}}$、

そして$\displaystyle \rho _{1}-\rho _{2}}$これは、コロイド粒子と懸濁媒体の質量密度の差である。

式を並べ替えると、沈降速度またはクリーム化速度は次のようになります。

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

コロイド粒子の直径には上限があり、1 μmより大きい粒子は沈殿する傾向があるため、その物質はもはやコロイド懸濁液とはみなされなくなります。^{[ 20 ]}

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

コロイドを調製する主な方法は2つあります。^{[ 21 ]}

• 粉砕、噴霧、またはせん断力（例えば、振とう、混合、または高せん断混合）の適用により、大きな粒子または液滴をコロイドサイズに分散させる。
• 小さな溶解分子を沈殿、凝縮、または酸化還元反応によってより大きなコロイド粒子に凝縮させるプロセス。このようなプロセスは、コロイド状シリカや金の製造に用いられる。

安定

コロイド系の安定性は、粒子が溶液中に懸濁した状態を維持することによって定義され、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。なぜなら、どちらも系の全体的な自由エネルギーに寄与するからです。 ^{[ 22 ]}

コロイド粒子間の引力による相互作用エネルギーがkTより小さい場合、コロイドは安定である。ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。この場合、コロイド粒子は互いに反発し合うか、あるいは弱い引力しか持たず、物質は懸濁液の状態を保つ。

相互作用エネルギーが kT より大きい場合、引力が優勢になり、コロイド粒子は凝集し始めます。このプロセスは一般に凝集と呼ばれますが、凝集、凝結、または沈殿とも呼ばれます。^{[ 23 ]}これらの用語はしばしば互換的に使用されますが、定義によってはわずかに異なる意味を持ちます。たとえば、凝集は、粒子を一緒に保持する力が攪拌や混合によって引き起こされる外部の力よりも強い、不可逆的で永続的な凝集を説明するために使用できます。凝集は、より弱い引力を伴う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、摂動を受けたときにコロイド分散から固体（沈殿物）への相変化を説明するために留保されています。^{[ 20 ]}凝集は沈降またはクリーム化を引き起こすため、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、コロイドはもはや懸濁液ではなくなります。

静電的安定化と立体的安定化は、凝集に対する安定化の主な2つのメカニズムである。

• 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に構造化されており、粒子は表面で帯電していますが、その後、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。懸濁したコロイド粒子間の静電反発は、ゼータ電位によって最も容易に定量化できます。凝集に対するファンデルワールス引力と静電反発の複合効果は、 DLVO理論によって定量的に説明されます。^{[ 24 ]}コロイドを安定化する（沈殿物から変換する）一般的な方法は、電解質とともに振盪するプロセスであるペプチゼーションです。
• 立体安定化とは、粒子が引力の範囲内で接近するのを防ぐために、粒子上にポリマーまたは界面活性剤の層を吸着させることである。^{[ 20 ]}ポリマーは粒子表面に結合した鎖からなり、鎖の外側に伸びている部分は懸濁媒体に溶解する。^{[ 25 ]}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用いられる。^{[ 26 ]}

2つのメカニズムの組み合わせも可能である（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なコロイドを生成する主要な方法である。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添加することからなる。粒子が捕捉され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、^{[ 27 ]}長いポリマー鎖は分散粒子に立体または電気立体安定化を提供することができる。このような物質の例としては、キサンタンガムとグアーガムがある。

安定性の監視

製品の分散状態を監視し、不安定化現象を特定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、垂直スキャンと組み合わせた多重光散乱です。 ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}この濁度測定法として知られる方法は、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る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直接比例します。したがって、沈降またはクリーム化によって引き起こされる局所的な濃度の変化、および凝集によって引き起こされる粒子の凝集が検出および監視されます。^{[ 33 ]}これらの現象は不安定なコロイドに関連しています。

動的光散乱法は、コロイド粒子の拡散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。この方法は、コロイドにレーザー光を照射することを含みます。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。粒子が凝集して凝集することで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。この技術は、見かけの粒子サイズがコロイド粒子の典型的なサイズ範囲を超えていると判断された場合に、凝集が発生したことを確認できます。^{[ 22 ]}

物理学では、コロイドは原子の興味深いモデルシステムです。^{[ 36 ]}マイクロメートルスケールのコロイド粒子は、共焦点顕微鏡などの光学技術で観察できるほど大きいです。排除体積相互作用や静電力など、物質の構造と挙動を支配する多くの力が、コロイド懸濁液の構造と挙動を支配します。たとえば、理想気体のモデル化に使用されるのと同じ技術を、硬球コロイド懸濁液の挙動のモデル化に適用できます。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、^{[ 37 ]}液体の相転移に類似しています。多くの興味深いケースで、光学的流動性がコロイド懸濁液の制御に使用されます。^{[ 37 ] [ 38 ]}

コロイドは、ガラス転移の研究のためのモデルシステムとしても使用されています。これは、高密度のコロイド懸濁液が、ガラス形成液体と同様のガラス状のダイナミクスを示すことができるためです。ゲイ・バーンポテンシャルを介して相互作用する異方性楕円体粒子の分子動力学シミュレーションでは、楕円体PMMAコロイドに関する実験に関連した液体ガラス挙動が報告されています^{[ 39 ] [ 40 ]}。そこでは、回転運動は停止しますが、並進運動は流体のようなままです。

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、原子や分子の対応物と類似しているように見える、高度に秩序だった粒子配列です。 ^{[ 41 ]}この秩序化現象の最も優れた天然例の 1 つは、貴重なオパールに見られます。オパールでは、純粋なスペクトル色の鮮やかな領域は、二酸化ケイ素（またはシリカ、SiO2 _）の非晶質コロイド球の密に詰まった領域から生じます。^{[ 42 ] [ 43 ]}これらの球状粒子は、オーストラリアやその他の地域の高シリカプールで沈殿し、静水圧と重力による長年の沈降と圧縮の後、これらの高度に秩序だった配列を形成します。サブマイクロメートル球状粒子の周期的な配列は、同様の格子間空隙の配列を提供し、特に格子間間隔が入射光波と同じオーダーである場合、可視光波の自然な回折格子として機能します。^{[ 44 ] [ 45 ]}

このように、クーロン斥力 相互作用により、水溶液中の帯電高分子は、粒子間距離が個々の粒子の直径よりもかなり大きい場合が多いにもかかわらず、結晶のような長距離相関を示すことが長年知られてきた。自然界におけるこれらの事例すべてにおいて、結晶固体におけるX線散乱と同様に、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よって、同じ鮮やかな虹色（または色彩の戯れ）が生じる。

いわゆる「コロイド結晶」の物理学と化学を探求する多数の実験は、過去20年間に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長距離秩序の形成を実現および維持するための比較的単純な方法が開発された結果として出現した。 ^{[ 46 ]}

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による区画化と同様に重要である。生体分子凝縮物という用語は、細胞内で液液相分離または液固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きた。高分子の密集は、コロイド相分離と生体分子凝縮物の形成を強く促進する。コロイド溶液は、ポリマーやタンパク質などのさまざまな種類の分子を迅速、簡単、かつ安全に細胞内に送達するためのツールとしても使用される。^{[ 47 ]}

コロイド粒子は、 地表水（海水、湖、河川、淡水域）や亀裂の入った岩石 （石灰岩、砂岩、花崗岩など）を循環する地下水^{[ 49 ]中のさまざまな汚染物質の輸送ベクターとしても機能する[ 48 ]}。放射性核種や重金属は、水中に懸濁したコロイドに容易に吸着する。さまざまな種類のコロイドが認識されている。無機コロイド（粘土粒子、ケイ酸塩、オキシ水酸化鉄など）、有機コロイド（フミン質およびフルボ酸質）。重金属または放射性核種が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、すなわち純粋なTc(OH) 4}、U(OH) ₄、またはAm(OH) ₃を指すために使用される。コロイドは、ネバダ核実験場でプルトニウムの長距離輸送に関与している疑いがある。これらは長年にわたり詳細な研究の対象となってきた。しかし、緻密な粘土膜で起こる限外濾過 のプロセスのため、圧縮されたベントナイトや深い粘土層では無機コロイドの移動性は非常に低い^{[ 50 ] 。 [ 51 ]} 間隙水中に真に溶解した有機分子と混ざっていることが多い小さな有機コロイドについては、この問題はあまり明確ではない。^{[ 52 ]}

土壌科学では、土壌中のコロイド画分は、直径が 1μm 未満の微細な粘土および腐植粒子で構成され、土壌サンプルの化学的条件、すなわち土壌 pHに応じて変化する正または負の静電荷を帯びています。^{[ 53 ]}

静脈内療法で使用されるコロイド溶液は、主要な輸液剤群に属し、静脈内輸液補充に使用できます。コロイドは血液中の高いコロイド浸透圧を維持するため、 ^{[ 54 ]}理論的には優先的に血管内容量を増加させるはずですが、結晶質と呼ばれる他のタイプの輸液剤は間質量と細胞内容量も増加させます。しかし、この違いによる実際の有効性の違いについてはまだ議論があり、^{[ 54 ]}コロイドのこの使用に関する多くの研究は、ヨアヒム・ボルトによる不正な研究に基づいています。^{[ 55 ]}もう1つの違いは、結晶質は一般的にコロイドよりもはるかに安価であることです。^{[ 54 ]}