Le superfici cariche immerse in una soluzione elettrolitica possono a volte caricarsi in modo opposto. Questo fenomeno non intuitivo, noto come inversione di carica, accade quando i controioni in eccesso si adsorbono, o aderire, alla superficie. Può verificarsi in una serie di ambienti chimici e biologici. In determinate situazioni, la teoria predice che una superficie altamente carica non solo cambia segno, ma può diventare più carica della superficie originale. Questo è noto come inversione di carica gigante, ma rimane controverso e non è mai stato osservato sperimentalmente.

Risultati riportati questa settimana in Giornale di Fisica Chimica Confermare, per la prima volta, inversione di carica gigante per una superficie a contatto con una soluzione di elettrolita trivalente. Contrariamente alle osservazioni precedenti, questo non richiedeva una superficie altamente carica.

Gli investigatori, Zhi-Yong Wang della Chongqing University of Technology in Cina, e Jianzhong Wu dell'Università della California, lungo il fiume, scoperto che la risposta dielettrica del solvente migliora la correlazione di ioni multivalenti con gruppi di superficie caricati in modo opposto. Ciò facilita la formazione di accoppiamenti interfacciali di cariche opposte chiamate coppie di Bjerrum, e porta alla gigantesca inversione di carica osservata.

"Precedenti studi teorici non hanno fornito una descrizione affidabile del comportamento dell'interfaccia ionica in sistemi di questo tipo, " ha detto Wang. Ad esempio, non c'è stato consenso in letteratura su quale tipo di interazione domina l'eccesso di adsorbimento di controioni multivalenti in corrispondenza di un'interfaccia carica.

Il presente studio tiene conto degli effetti combinati di cariche superficiali discrete, volume escluso dagli ioni, corrugazioni superficiali e variazione spaziale della risposta dielettrica. Quest'ultimo è stato permesso di variare poiché la permittività e la dinamica di carica dell'acqua nei nanopori, come quelli nei canali ionici nelle membrane cellulari, può essere notevolmente diverso da quello dell'acqua sfusa.

Per tutti questi motivi, i ricercatori hanno esaminato più da vicino la risposta dielettrica degli elettroliti confinati in un sistema modello realistico. Ciò ha portato alle loro osservazioni riportate qui. Una ragione per cui gli studi precedenti hanno mancato il fenomeno di inversione di carica gigante osservato, Wang ha detto, è perché l'intrinseco eterogeneo, la natura non uniforme della carica superficiale è stata trascurata. Nello studio attuale, hanno dimostrato che l'eterogeneità della carica superficiale e la risposta dielettrica del solvente non sono due problemi separati, ma vanno considerati insieme. In particolare, una chiara comprensione del ruolo svolto dalle cariche di immagine è essenziale per ottenere un'interpretazione coerente dei risultati sperimentali.

Queste osservazioni indicano che l'assunzione comune di una densità di carica superficiale uniforme è discutibile in presenza di ioni multivalenti. Tale ipotesi non fornisce una rappresentazione fedele della struttura interfacciale e sembra mancare la fisica importante che si verifica in spazi confinati, come quelli comuni nei sistemi biologici.

Gli autori intendono estendere il loro studio per esaminare altre soluzioni di elettroliti misti a contatto con superfici curve o irregolari. Inoltre, è necessario più lavoro per tenere conto delle disomogeneità dielettriche locali vicino alle superfici cariche, che vanno oltre i modelli tradizionali.