[论文解读] Charge separation at liquid interfaces

Arghya Majee, Christoph A. Weber+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2023

Polymer Surface Interaction StudiesMaterials Science被引用 3

一句话总结

本文提出了一种含盐相分离凝聚物的平均场理论，表明界面电荷分离导致交替的带电层，其静电势分布呈非单调特性。盐浓度调节这些层的数量和振幅，从而实现对带电分子跨界面的选择性运输——提示生物大分子凝聚物可能像膜区室一样充当静电过滤器。

ABSTRACT

We present a theory for phase-separated liquid coacervates with salt, taking into account spatial heterogeneities and interfacial profiles. We find that charged layers of alternating sign can form around the interface while the bulk phases remain approximately charge-neutral. We show that the salt concentration regulates the number of layers and the amplitude of the layer's charge density and electrostatic potential. Such charged layers can either repel or attract single-charged molecules diffusing across the interface. Our theory could be relevant for artificial systems and biomolecular condensates in cells. Our work suggests that interfaces of biomolecular condensates could mediate charge-specific transport similar to membrane-bound compartments.

研究动机与目标

• 理解驱动相分离凝聚物界面电荷分离的热力学机制。
• 在非稀释、多组分电解质混合物中，对凝聚物界面处的静电势分布和离子分布进行建模。
• 研究盐浓度如何调节界面电荷密度和静电势结构。
• 探讨界面电荷层对带电分子跨凝聚物边界选择性运输的潜在影响。
• 建立一个考虑强静电相互作用、超越稀释极限的凝聚物界面理论框架。

提出的方法

• 基于非稀释离子浓度，利用泊松-玻尔兹曼方程，为凝聚物开发平均场静电模型。
• 引入不可压缩性及所有组分（包括大分子、反离子和盐离子）的恒定分子体积。
• 通过化学势条件的线性化展开，推导出界面附近的指数型浓度分布。
• 通过相间电化学势相等条件导出的六阶多项式方程求解衰减常数 γ。
• 以静电势达到 ψD/2 的位置定义界面，通过选择中间交叉点解决多重交叉问题。
• 分析凝聚物相内总电荷随梯度能比和系统参数的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在含非稀释离子和盐的相分离凝聚物中，界面静电势如何演化？
• RQ2 什么因素决定了凝聚物界面处交替电荷层的形成？
• RQ3 盐浓度如何调节界面电荷层的数量和振幅？
• RQ4 界面电荷分布能否介导带电分子跨凝聚物边界的选择性运输？
• RQ5 非理想静电相互作用在塑造界面电势和离子分布中起什么作用？

主要发现

• 界面电荷分离即使在整体相保持近似电中性的情况下，仍会产生正负电荷密度交替的层状结构。
• 静电势表现出非单调行为，具有吸引势阱和排斥势垒，为扩散带电分子的复杂动力学转变提供可能。
• 盐浓度控制界面电荷层的数量和电荷密度与电势的振幅，高盐浓度会抑制层的形成。
• 随着梯度能比的增加，凝聚物相内的总电荷可减少甚至反转符号，尤其在复合凝聚物中更为显著。
• 界面位置由静电势在 ψD/2 处的中间交叉点定义，反映了非单调的电势分布特性。
• 推导出的衰减常数 γ 的六阶多项式准确捕捉了界面结构，其最小根决定了渐近极限下的长程行为。