Geladen oppervlakken ondergedompeld in een elektrolytoplossing kunnen soms tegengesteld worden geladen. Dit niet-intuïtieve fenomeen, bekend als ladingsinversie, gebeurt wanneer overtollige tegenionen adsorberen, of vasthouden, naar het oppervlak. Het kan voorkomen in een aantal chemische en biologische omgevingen. In bepaalde situaties, theorie voorspelt dat een sterk geladen oppervlak niet alleen van teken verandert, maar kan sterker worden geladen dan het oorspronkelijke oppervlak. Dit staat bekend als gigantische ladingsomkering, maar blijft controversieel en is nooit experimenteel waargenomen.

Resultaten gerapporteerd deze week in de Tijdschrift voor Chemische Fysica bevestigen, Voor de eerste keer, gigantische ladingsomkering voor een oppervlak in contact met een driewaardige elektrolytoplossing. In tegenstelling tot eerdere waarnemingen, hiervoor was geen sterk geladen oppervlak nodig.

De rechercheurs, Zhi-Yong Wang van de Chongqing University of Technology in China, en Jianzhong Wu van de Universiteit van Californië, rivieroever, ontdekte dat de diëlektrische respons van het oplosmiddel de correlatie van multivalente ionen met tegengesteld geladen oppervlaktegroepen verbetert. Dit vergemakkelijkt de vorming van grensvlakkoppelingen van tegengestelde ladingen die Bjerrum-paren worden genoemd, en leidt tot de waargenomen omkering van de gigantische lading.

"Eerdere theoretische studies gaven geen betrouwbare beschrijving van het ionengrensvlakgedrag in systemen van dit type, " zei Wang. Bijvoorbeeld, er is geen consensus in de literatuur over welk type interactie de overmatige adsorptie van multivalente tegenionen aan een geladen grensvlak domineert.

De huidige studie houdt rekening met de gecombineerde effecten van discrete oppervlakteladingen, ion-uitgesloten volume, oppervlaktegolfingen en ruimtelijke variatie van de diëlektrische respons. Dit laatste mocht variëren omdat de permittiviteit en ladingsdynamiek van water in nanoporiën, zoals die in ionenkanalen in celmembranen, kan drastisch verschillen van die in bulkwater.

Voor al deze redenen, de onderzoekers bekeken de diëlektrische respons van opgesloten elektrolyten in een realistisch modelsysteem. Dit leidde tot hun gerapporteerde observaties hier. Een reden dat eerdere studies het waargenomen fenomeen van gigantische ladingomkering misten, Wang zei, is omdat de inherent heterogene, niet-uniforme aard van de oppervlaktelading werd verwaarloosd. In de huidige studie, ze toonden aan dat heterogeniteit van de oppervlaktelading en de diëlektrische respons van het oplosmiddel geen twee afzonderlijke problemen zijn, maar moeten samen worden bekeken. Vooral, een duidelijk begrip van de rol die beeldladingen spelen is essentieel om tot een consistente interpretatie van experimentele bevindingen te komen.

Deze waarnemingen geven aan dat de algemene aanname van een uniforme oppervlakteladingsdichtheid twijfelachtig is in de aanwezigheid van meerwaardige ionen. Een dergelijke aanname geeft geen getrouwe weergave van de grensvlakstructuur en lijkt belangrijke fysica te missen die voorkomt in kleine ruimtes, zoals die gebruikelijk zijn in biologische systemen.

De auteurs zijn van plan hun onderzoek uit te breiden om andere gemengde elektrolytoplossingen te onderzoeken die in contact komen met gebogen of onregelmatige oppervlakken. In aanvulling, er is meer werk nodig om rekening te houden met lokale diëlektrische inhomogeniteiten in de buurt van geladen oppervlakken, die verder gaan dan traditionele modellen.