[논문 리뷰] Long-range overcharging and long-range charge reversal in model colloidal dispersions

Alfredo González-Calderón, Martı́n Chávez-Páez외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 01.

Electrostatics and Colloid Interactions참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 유한 농도의 콜로이드 분산계에서 두 가지 새로운 현상인 장거리 과충전(LROC)과 장거리 전하 역전(LRCR)을 적분방정식 이론을 통해 예측한다. 고전적 단거리 효과와는 달리, LROC와 LRCR는 중심 거대입자에서 멀리 떨어진 곳에서 나타나며, 거리가 증가함에 따라 강도가 증가하고, 엔트로피-엔탈피 균형에 의해 유도되는 장거리 상관관계에서 기인한다. 이는 고분자 레이텍 분산계에서 관찰된 장거리 질서와 일치한다.

ABSTRACT

Most theoretical and simulation studies on charged particles suspensions are at infinite dilution conditions. Hence these studies have been focused on the electrolyte structure around an isolated central particle (or elctrode), where phenomena as charge reversal, charge inversion and overcharging have been shown to be relevant. However, experimental studiesat finite volume fraction exhibit interesting phenomenology which imply very long-range correlations. Inthis paper we apply an integral equation theory to a simple model for a charged macroions suspension, at finite volume fraction, and find two new effects of long-range overcharging and long-range charge reversal. These new effects are different from the classical overcharging and charge reversal in that they occur at finite macroion's volume fraction, far away from the central macroion, are much more intense, and increase, not decrease, as a function of the distance to the central particle, which is indicative of correlations at large separations. We find our results to be qualitative consistent with existing experimental results, and Monte Carlo simulations.

연구 동기 및 목표

• 무한 희석 모델을 초월하여 유한 부피율에서 전하를 띤 콜로이드 분산계의 과충전 및 전하 역전 현상을 조사하기 위해.
• 실험에서 관찰된, 예를 들어 고분자 레이텍 분산계에서의 예상치 못한 거대입자 응집 현상과 장거리 상관관계의 기원을 설명하기 위해.
• 장거리에서 엔트로피에 의해 유도되는 힘이 전기적 반발력을 초월하여 새로운 집단적 현상을 이끌어내는 이유를 설명하기 위해.
• 같은 전하를 띤 콜로이드에서 상 공존과 장거리 질서를 실험적으로 관찰한 결과와 일치하는 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 전하를 띤 경직한 구형 거대입자와 대칭 전해질을 포함한 모델 콜로이드 프리미티브 시스템(CPM)에 대해 적분방정식 이론을 적용하였다.
• 유한 부피율에서 반경분포함수와 전하 밀도 프로파일을 구하기 위해 비선형 적분방정식 프레임워크를 사용하였다.
• 중앙 거대입자로부터의 거리 함수로 복합이온 및 공이온 분포(g_{M-}(r), g_{M+}(r))와 거대입자-거대입자 상관관계(g_{MM}(r))의 행동을 추적하였다.
• 거대입자-거대입자 상호작용을 엔트로피적 성분과 전기적 성분으로 분리하여 주요 힘 기구를 규명하였다.
• 표면 전하 밀도와 부피율을 변화시켜 전기적 반발력과 엔트로피에 의해 유도되는 힘 사이의 상호작용을 탐구하였다.
• 장거리 구조적 진동과 유도된 전하 행동에 중점을 두고 실험 데이터와 몬테카를로 시뮬레이션과 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한 농도의 콜로이드 분산계에서 고전적 단거리 효과와는 다를 바 있는 장거리 과충전과 전하 역전 현상이 나타날 수 있는가?
• RQ2 전기적 반발력에도 불구하고 같은 전하를 띤 콜로이드계에서 장거리 상관관계와 거대입자 응집 현상의 기원은 무엇인가?
• RQ3 엔트로피와 전기적 힘이 유한 부피율 분산계에서 장거리로의 순수한 힘의 인력 또는 반발력을 어떻게 균형을 이루는가?
• RQ4 예측된 장거리 현상이 고분자 레이텍 분산계에서 관찰된 상 공존과 구조적 질서와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 유한 체계에서 중심 거대입자로부터 거리가 증가함에 따라 유도된 전하와 이온 분포의 행동은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 장거리 과충전(LROC)과 장거리 전하 역전(LRCR)은 고전적 단거리 효과와는 달리, 중심 입자로부터 멀리 떨어진 곳에서 유한 거대입자 부피율에서 예측된다.
• LROC와 LRCR는 중심 거대입자로부터 거리가 증가함에 따라 강도가 증가하여 강한 장거리 상관관계를 나타내며, 감쇠가 아닌 증폭을 의미한다.
• 모든 거리에서 거대입자-거대입자 힘의 엔트로피 성분이 전기적 성분을 초월하여 장거리 인력과 반발력을 이끌어낸다.
• 코발트 반발력을 증가시키는 표면 전하 밀도가 증가함에도 불구하고, 엔트로피에 의해 유도되는 부피 감소 효과로 인해 고전적 반발력보다 더 강한 응집이 발생한다.
• 반경분포함수는 복합이온 밀도(ρ⁻(r))가 밀도 기준값을 초과하고 g_{MM}(r) 최대값 사이에서 공이온 밀도(ρ⁺(r))와 겹치며 강한 이온 정렬을 나타낸다.
• 결과는 고분자 레이텍 분산계에서 관찰된 장거리 질서와 상 공존 현상과 정성적으로 일치한다. 특히 고전적 전하 밀도와 유한 부피율 조건에서 두드러진다.