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ポリ電解質は、繰り返し単位に電解質基を持つポリマーです。ポリカチオンとポリアニオンはポリ電解質です。これらの基は水溶液（水）中で解離し、ポリマーを帯電させます。したがって、ポリ電解質の特性は電解質（塩）とポリマー（高分子量化合物）の両方に似ており、ポリ塩と呼ばれることもあります。塩と同様に、その溶液は電気伝導性があります。ポリマーと同様に、その溶液はしばしば粘性があります。ソフトマター系によく見られる荷電分子鎖は、さまざまな分子集合体の構造、安定性、および相互作用を決定する上で基本的な役割を果たします。その統計的特性を記述するための理論的アプローチ[ 1 ] [ 2 ]は、電気的に中性の対応物とは大きく異なりますが、技術および産業分野ではその独自の特性が利用されています。多くの生体分子はポリ電解質です。たとえば、ポリペプチド、グリコサミノグリカン、およびDNAはポリ電解質です。天然および合成のポリ電解質は、さまざまな産業で使用されています。
酸は弱酸または強酸に分類され（同様に塩基も弱酸または強酸に分類される）、同様に高分子電解質も「弱」と「強」に分類できる。「強」高分子電解質は、ほとんどの妥当なpH値において溶液中で完全に解離する。一方、「弱」高分子電解質は、解離定数（pKaまたはpKb）が約2～10の範囲であり、中間pHでは部分的に解離する。したがって、弱高分子電解質は溶液中で完全に電荷を帯びておらず、さらに、溶液のpH、対イオン濃度、またはイオン強度を変化させることで、その電荷分率を調整することができる。
高分子電解質溶液の物理的性質は、通常、このイオン化度によって大きく影響を受けます。高分子電解質の解離によって対イオンが放出されるため、必然的に溶液のイオン強度、ひいてはデバイ長に影響を及ぼします。そして、これは電気伝導率などの他の性質にも影響を与えます。
反対の電荷を持つ2種類のポリマー溶液（すなわち、ポリカチオン溶液とポリアニオン溶液）を混合すると、通常は大きな複合体（沈殿物）が形成されます。これは、反対の電荷を持つポリマー同士が引き合い、結合するためです。
あらゆるポリマーの立体配座は、ポリマーの構造や溶媒との親和性など、多くの要因によって影響を受けます。高分子電解質の場合、電荷も影響を与えます。電荷を持たない線状ポリマー鎖は通常、溶液中でランダムな立体配座をとります（自己回避型の三次元ランダムウォークに非常に近い状態）。一方、線状高分子電解質鎖上の電荷は二重層力によって互いに反発し合い、その結果、鎖はより拡張した、剛直な棒状の立体配座をとります。溶液に多量の塩が添加されている場合、電荷は遮蔽されます。その結果、高分子電解質鎖はより一般的な立体配座（良溶媒中の電気的に中性の鎖とほぼ同じ状態）に収縮します。
ポリマーの立体配座は、粘度や濁度など、多くのバルク特性に影響を与えます。高分子電解質の統計的立体配座は、従来のポリマー理論の変形を用いて捉えることができますが、静電相互作用が長距離に及ぶため、高分子電解質鎖を適切にモデル化するには、一般的に非常に多くの計算が必要となります。静的光散乱などの手法は、高分子電解質の立体配座や立体配座変化を研究するために使用できます。
カチオン性およびアニオン性の繰り返し基の両方を持つ高分子電解質は、ポリアンフォライトと呼ばれます。これらの基の酸塩基平衡間の競合により、物理的挙動がさらに複雑になります。これらのポリマーは通常、反対に帯電したセグメント間の相互作用を十分な量の添加塩で遮蔽した場合にのみ溶解します。両性マクロ多孔性ヒドロゲルの場合、高分子の共有結合架橋により、濃縮塩溶液の作用によってポリアンフォライト材料が溶解することはありません。合成3Dマクロ多孔性ヒドロゲルは、非常に希薄な水溶液から広範囲のpHで重金属イオンを吸着する優れた能力を示し、その後、塩水の浄化用吸着剤として使用できます[ 5 ] [ 6 ]。すべてのタンパク質はポリアンフォライトです。一部のアミノ酸は酸性である傾向があり、他のアミノ酸は塩基性です。
高分子電解質は、主に水溶液やゲルの流動性や安定性の調整に関連する多くの用途があります。例えば、コロイド懸濁液を不安定化させ、凝集（沈殿）を開始させるために使用できます。また、中性粒子に表面電荷を与え、水溶液中に分散させるためにも使用できます。そのため、増粘剤、乳化剤、調整剤、清澄剤、さらには抵抗低減剤としてよく使用されます。水処理や石油回収にも使用されます。多くの石鹸、シャンプー、化粧品に高分子電解質が配合されています。さらに、多くの食品やコンクリート混合物（高性能減水剤）にも添加されます。食品ラベルに記載されている高分子電解質には、ペクチン、カラギーナン、アルギン酸塩、カルボキシメチルセルロースなどがあります。最後のものを除いて、すべて天然由来です。最後に、セメントを含むさまざまな材料にも使用されています。
水溶性のものもあるため、生化学的および医学的用途についても研究されています。現在、生体適合性高分子電解質をインプラントコーティング、制御された薬物放出、その他の用途に使用する研究が盛んに行われています。そのため、最近では、高分子電解質複合体からなる生体適合性および生分解性のマクロ多孔質材料が報告されており、この材料は哺乳類細胞の優れた増殖[ 7 ]と筋肉のようなソフトアクチュエーターを示しました。
ポリエレクトロライトは、ポリエレクトロライト多層膜（PEM ）と呼ばれる新しいタイプの材料の形成に使用されています。これらの薄膜は、層状堆積（LbL）法を用いて作製されます。LbL法では、適切な成長基板（通常は帯電）を、正に帯電したポリエレクトロライト溶液と負に帯電したポリエレクトロライト溶液の希釈浴の間を往復浸します。浸漬のたびに少量のポリエレクトロライトが吸着され、表面電荷が反転するため、ポリカチオン-ポリアニオン層の静電的に架橋された膜が徐々に制御された形で形成されます。科学者たちは、このような膜の厚さをナノメートル単位まで制御できることを実証しています。LbL膜は、ポリエレクトロライトの1つに代えて、またはポリエレクトロライトに加えて、ナノ粒子や粘土板状粒子などの帯電種[ 8 ]を置換することによっても作製できます。LbL法は、静電相互作用の代わりに水素結合を用いて作製された例もあります。多層膜の作製に関する詳細については、「ポリエレクトロライトの吸着」を参照してください。
図には、金基板上に形成されたPEM（PSS-PAH（ポリ（アリルアミン）塩酸塩））のLbL構造が示されています。この構造は、吸着速度、層厚、および光学密度を決定するために、多パラメータ表面プラズモン共鳴を使用して測定されます。 [ 9 ]
PEMコーティングの主な利点は、対象物に適合するようにコーティングできること（つまり、この技術は平面の物体へのコーティングに限定されない）、水系プロセスを使用することによる環境上の利点、妥当なコスト、そして膜の特定の化学的特性を利用して、金属や半導体ナノ粒子の合成、多孔性相転移による反射防止コーティング、光学シャッター、超疎水性コーティングの作成など、さらなる改質が可能であることである。
荷電マクロイオンのシステム（すなわち、DNA分子の配列）に高分子電解質鎖を加えると、高分子電解質架橋と呼ばれる興味深い現象が発生する可能性がある。[ 10 ]架橋相互作用という用語は通常、単一の高分子電解質鎖が2つ（またはそれ以上）の反対の電荷を持つマクロイオン（例えばDNA分子）に吸着して分子架橋を形成し、その連結性を介してそれらの間の引力相互作用を媒介する状況に適用される。
マクロイオン間の距離が小さい場合、高分子鎖はマクロイオンの間に挟まれ、系内の静電効果は立体効果によって完全に支配され、系は実質的に放電状態になります。マクロイオン間の距離を大きくすると、同時にマクロイオンに吸着した高分子電解質鎖が引き伸ばされます。鎖の引き伸ばしによって、鎖のゴム弾性による上述の引力相互作用が生じます。
連結性があるため、高分子電解質鎖の挙動は、閉じ込められた非連結イオンの挙動とはほとんど似ていない。
ポリマー用語では、ポリ酸は構成単位の大部分に酸性基を含む高分子からなる高分子電解質である。最も一般的には、酸性基は–COOH、–SO 3 H、または–PO 3 H 2である。[ 11 ]