Результаты, опубликованные на этой неделе в «Журнале химической физики» от AIP Publishing, впервые подтверждают гигантское изменение заряда на поверхности, контактирующей с раствором трехвалентного электролита. В отличие от предыдущих наблюдений, для этого не требовалось сильно заряженной поверхности.Исследователи, Чжи-Юн Ван из Технологического университета Чунцина в Китае и Цзяньчжун Ву из Калифорнийского университета в Риверсайде, обнаружили, что диэлектрический отклик растворителя усиливает корреляцию многовалентных ионов с противоположно заряженными поверхностными группами.
Это облегчает образование межфазных связей противоположных зарядов, называемых парами Бьеррума, и приводит к наблюдаемому гигантскому перезаряду.«Предыдущие теоретические исследования не дали надежного описания межфазного поведения ионов в системах такого типа», — сказал Ван. Например, в литературе нет единого мнения о том, какой тип взаимодействия доминирует при избыточной адсорбции многовалентных противоионов на заряженной границе раздела.Настоящее исследование учитывает комбинированные эффекты дискретных поверхностных зарядов, исключенного ионами объема, гофрирования поверхности и пространственного изменения диэлектрического отклика.
Последнему было разрешено варьироваться, поскольку диэлектрическая проницаемость и динамика заряда воды в нанопорах, например в ионных каналах в клеточных мембранах, могут резко отличаться от диэлектрической проницаемости и динамики заряда воды в объемной воде.По всем этим причинам исследователи внимательно изучили диэлектрический отклик ограниченных электролитов в реалистичной модельной системе.
Это привело к их описанным здесь наблюдениям. Одна из причин, по которой предыдущие исследования упустили наблюдаемое явление гигантского переворота заряда, сказал Ван, заключается в том, что не учитывалась изначально неоднородная, неоднородная природа поверхностного заряда. В текущем исследовании они показали, что неоднородность поверхностного заряда и диэлектрический отклик растворителя не являются двумя отдельными проблемами, а должны рассматриваться вместе. В частности, четкое понимание роли, которую играют заряды изображения, необходимо для достижения последовательной интерпретации экспериментальных результатов.
Эти наблюдения показывают, что общепринятое предположение об однородной плотности поверхностного заряда сомнительно в присутствии многовалентных ионов. Такое предположение не обеспечивает точного представления межфазной структуры и, по-видимому, упускает из виду важные физические аспекты, которые возникают в замкнутых пространствах, таких как те, которые распространены в биологических системах.Авторы планируют расширить свое исследование, чтобы изучить другие смешанные растворы электролитов, контактирующие с изогнутыми или неровными поверхностями.
Кроме того, необходимы дополнительные исследования для учета локальных диэлектрических неоднородностей вблизи заряженных поверхностей, которые выходят за рамки традиционных моделей.