Nature of Overcharging and Charge Inversion in Electrical Double Layers

离子键合 电介质 凝聚态物理 化学物理 表面电荷 联轴节(管道) 反离子 化学 高斯分布 离子 材料科学 物理 计算化学 量子力学 语言学 哲学 有机化学 物理化学 冶金
作者
Nikhil R. Agrawal,Chao Duan,Rui Wang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:128 (1): 303-311 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.3c04739
摘要

Understanding overcharging and charge inversion is one of the long-standing challenges in soft matter and biophysics. To study these phenomena, we employ the modified Gaussian renormalized fluctuation theory, which allows for the self-consistent accounting of spatially varying ionic strength as well as the spatial variations in dielectric permittivity and excluded volume effects. The underlying dependence of overcharging on the electrostatic coupling is elucidated by varying the surface charge, counterion valency, and dielectric contrast. Consistent with simulations, three characteristic regimes corresponding to weak, moderate, and strong coupling are identified. Important features like the inversion of zeta potential, crowding, and ionic layering at the surface are successfully captured. For weak coupling, there is no overcharging. In the moderate coupling regime, overcharging increases with the surface charge. Finally, in the strong coupling regime, ionic crowding and saturation in overcharging are observed. Our theory predicts a nonmonotonic dependence of charge inversion on multivalent salt concentration as well as the addition of monovalent salt, in quantitative agreement with experiments.
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