Laddade ytor nedsänkta i en elektrolytlösning kan ibland bli motsatt laddade. Detta icke-intuitiva fenomen, känd som laddningsinversion, händer när överskott av motjoner adsorberar, eller följa, till ytan. Det kan förekomma i ett antal kemiska och biologiska miljöer. I vissa situationer, teorin förutspår att en mycket laddad yta inte bara byter tecken, men kan bli mer laddad än den ursprungliga ytan. Detta är känt som gigantisk laddningsreversering, men förblir kontroversiell och har aldrig observerats experimentellt.

Resultat rapporterade denna vecka i Journal of Chemical Physics bekräfta, för första gången, gigantisk laddningsomkastning för en yta i kontakt med en trevärd elektrolytlösning. I motsats till tidigare observationer, detta krävde inte en starkt laddad yta.

Utredarna, Zhi-Yong Wang från Chongqing University of Technology i Kina, och Jianzhong Wu från University of California, Riverside, fann att det dielektriska svaret hos lösningsmedlet förbättrar korrelationen av multivalenta joner med motsatt laddade ytgrupper. Detta underlättar bildandet av gränssnittskopplingar av motsatta laddningar som kallas Bjerrum-par, och leder till den observerade gigantiska laddningsomkastningen.

"Tidigare teoretiska studier gav inte en tillförlitlig beskrivning av jongränssnittsbeteende i system av denna typ, " sa Wang. Till exempel, det har inte funnits någon konsensus i litteraturen om vilken typ av interaktion som dominerar överskottsadsorptionen av multivalenta motjoner vid en laddad gränsyta.

Den föreliggande studien redogör för de kombinerade effekterna av diskreta ytladdningar, jon-exkluderad volym, ytkorrugeringar och rumslig variation av det dielektriska svaret. Det senare fick variera eftersom permittiviteten och laddningsdynamiken för vatten i nanoporer, såsom de i jonkanaler i cellmembran, kan skilja sig dramatiskt från det i bulkvatten.

Av alla dessa skäl, forskarna tittade närmare på den dielektriska responsen hos inneslutna elektrolyter i ett realistiskt modellsystem. Detta ledde till deras rapporterade observationer här. En anledning till att tidigare studier missade det observerade fenomenet med gigantisk laddningsomkastning, Wang sa, beror på att det i sig heterogena, ytladdningens ojämna karaktär försummades. I den aktuella studien, de visade att ytladdningsheterogenitet och lösningsmedlets dielektriska respons inte är två separata frågor, men måste betraktas tillsammans. Särskilt, en tydlig förståelse av vilken roll bildladdningar spelar är väsentlig för att uppnå konsekvent tolkning av experimentella fynd.

Dessa observationer indikerar att det vanliga antagandet om en enhetlig ytladdningstäthet är tveksamt i närvaro av flervärda joner. Ett sådant antagande ger inte en trogen representation av gränssnittsstruktur och tycks missa viktig fysik som förekommer i begränsade utrymmen, sådana som är vanliga i biologiska system.

Författarna planerar att utöka sin studie till att undersöka andra blandade elektrolytlösningar i kontakt med krökta eller oregelbundna ytor. Dessutom, mer arbete krävs för att ta hänsyn till lokala dielektriska inhomogeniteter nära laddade ytor, som går längre än traditionella modeller.