Les surfaces chargées immergées dans une solution d'électrolyte peuvent parfois devenir chargées de manière opposée. Ce phénomène non intuitif, connu sous le nom d'inversion de charge, se produit lorsqu'un excès de contre-ions s'adsorbe, ou adhérer, à la surface. Il peut se produire dans un certain nombre de paramètres chimiques et biologiques. Dans certaines situations, la théorie prédit qu'une surface hautement chargée change non seulement de signe, mais peut devenir plus fortement chargée que la surface d'origine. C'est ce qu'on appelle l'inversion de charge géante, mais reste controversé et n'a jamais été observé expérimentalement.

Les résultats publiés cette semaine dans le Journal de physique chimique confirmer, pour la première fois, inversion de charge géante pour une surface en contact avec une solution d'électrolyte trivalent. Contrairement aux observations précédentes, cela ne nécessitait pas une surface très chargée.

Les enquêteurs, Zhi-Yong Wang de l'Université de technologie de Chongqing en Chine, et Jianzhong Wu de l'Université de Californie, Bord de rivière, ont constaté que la réponse diélectrique du solvant améliore la corrélation des ions multivalents avec des groupes de surface chargés de manière opposée. Cela facilite la formation de couplages interfaciaux de charges opposées appelées paires de Bjerrum, et conduit à l'inversion de charge géante observée.

"Les études théoriques précédentes n'ont pas fourni une description fiable du comportement interfacial des ions dans les systèmes de ce type, " a dit Wang. Par exemple, il n'y a pas eu de consensus dans la littérature sur le type d'interaction qui domine l'adsorption en excès des contre-ions multivalents à une interface chargée.

La présente étude rend compte des effets combinés des charges de surface discrètes, volume exclu des ions, ondulations de surface et variation spatiale de la réponse diélectrique. Ce dernier a pu varier puisque la permittivité et la dynamique de charge de l'eau dans les nanopores, tels que ceux des canaux ioniques des membranes cellulaires, peut être très différent de celui de l'eau en vrac.

Pour toutes ces raisons, les chercheurs ont examiné de plus près la réponse diélectrique des électrolytes confinés dans un système modèle réaliste. Cela a conduit à leurs observations rapportées ici. Une des raisons pour lesquelles les études précédentes ont manqué le phénomène d'inversion de charge géant observé, Wang a dit, est parce que l'hétérogénéité inhérente, La nature non uniforme de la charge de surface a été négligée. Dans l'étude actuelle, ils ont montré que l'hétérogénéité de la charge de surface et la réponse diélectrique du solvant ne sont pas deux problèmes distincts, mais doivent être considérés ensemble. En particulier, une compréhension claire du rôle joué par les charges d'image est essentielle pour parvenir à une interprétation cohérente des résultats expérimentaux.

Ces observations indiquent que l'hypothèse commune d'une densité de charge de surface uniforme est discutable en présence d'ions multivalents. Une telle hypothèse ne fournit pas une représentation fidèle de la structure interfaciale et semble manquer la physique importante qui se produit dans des espaces confinés, telles que celles courantes dans les systèmes biologiques.

Les auteurs prévoient d'étendre leur étude à d'autres solutions électrolytiques mixtes en contact avec des surfaces courbes ou irrégulières. En outre, plus de travail est nécessaire pour tenir compte des inhomogénéités diélectriques locales près des surfaces chargées, qui vont au-delà des modèles traditionnels.