Effective interactions, structure, and pressure in charge-stabilized colloidal suspensions: Critical assessment of charge renormalization methods

重整化 电荷(物理) 胶体 离子键合 统计物理学 有效核电荷 离子强度 化学物理 材料科学 物理 化学 量子力学 离子 物理化学 有机化学 水溶液
作者
Mariano E. Brito,Gerhard Nägele,Alan R. Denton
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:159 (20) 被引量:6
标识
DOI:10.1063/5.0180914
摘要

Charge-stabilized colloidal suspensions display a rich variety of microstructural and thermodynamic properties, which are determined by electro-steric interactions between all ionic species. The large size asymmetry between molecular-scale microions and colloidal macroions allows the microion degrees of freedom to be integrated out, leading to an effective one-component model of microion-dressed colloidal quasi-particles. For highly charged colloids with strong macroion–microion correlations, nonlinear effects can be incorporated into effective interactions by means of charge renormalization methods. Here, we compare and partially extend several practical mean-field methods of calculating renormalized colloidal interaction parameters, including effective charges and screening constants, as functions of concentration and ionic strength. Within the one-component description, we compute structural and thermodynamic properties from the effective interactions and assess the accuracy of the different methods by comparing predictions with elaborate primitive-model simulations [P. Linse, J. Chem. Phys. 113, 4359 (2000)]. We also compare various prescriptions for the osmotic pressure of suspensions in Donnan equilibrium with a salt ion reservoir and analyze instances where the macroion effective charge becomes larger than the bare one. The methods assessed include single-center cell, jellium, and multi-center mean-field theories. The strengths and weaknesses of the various methods are critically assessed, with the aim of guiding optimal and accurate implementations.
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