Durchbrechen der Ladungsneutralität eines Elektrolyten

Pflanzliche Gefäßzirkulation, Ionenkanäle, unser eigenes Lymphnetzwerk und viele Energiegewinnungssysteme sind auf den Transport gelöster Salzlösungen durch gewundene Leitungen angewiesen. Diese Lösungen oder Elektrolyte behalten eine positive oder negative Ladung bei, die für die Funktionsweise des Systems von entscheidender Bedeutung ist. Allerdings hängt dieser Ladungsausgleich von den Eigenschaften des Kanals ab, der die Flüssigkeit enthält.

In einer Studie veröffentlicht In Das European Physical Journal E, Paolo Malgaretti vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien/Forschungszentrum Jülich, Deutschland, und seine Kollegen leiten nun Gleichungen ab, die beschreiben, wie sich die lokale elektrische Ladung in Elektrolyten in Kanälen mit unterschiedlichen Querschnitten im Gleichgewicht ändert. Das Ergebnis könnte dabei helfen, Wege für geladene Teilchen in biologischen und technologischen Systemen vorherzusagen.

Wenn sich eine Elektrolytlösung zwischen zwei Platten befindet, besagt die Theorie, dass die gesamte elektrische Ladung in der Flüssigkeit mit der auf den Platten übereinstimmen sollte. Die Beobachtungen von Malgaretti und seinem Team zeigen jedoch, dass dieses Ladungsgleichgewicht zusammenbricht, wenn sich die Platten einem Abstand von weniger als 10 Nanometern nähern. Darüber hinaus treten neuartige Dynamiken für Elektrolyte auf, die sich durch asymmetrische Poren oder Kanäle mit unterschiedlichen Durchmessern bewegen.

Um das Zusammenspiel zwischen Geometrie und lokalem Ladungsgleichgewicht des Elektrolyten zu erfassen, führten Malgaretti und sein Team Berechnungen eines zwischen gewellten Kanalwänden eingebetteten Elektrolyten durch. Sie fanden heraus, dass die lokale Ladung immer dann unterbrochen wurde, wenn sich der Kanalquerschnitt änderte. Die Forscher sagen, dass das Einsetzen dieser überschüssigen Ladung vollständig auf das Zusammenspiel von Kanalgeometrie und elektrostatischen Kräften zurückzuführen ist und mit der Gesamtladung vergleichbar ist, die sich an den Wänden aufgebaut hat.

Die Erkenntnis galt sowohl für planare als auch für zylindrische Geometrien sowie für isolierende und leitende Kanalwände. Es könnte verwendet werden, um Korrekturen der energetischen Pfade vorherzusagen, denen geladene Tracerteilchen unterliegen, die durch die lokale Überschussladung induziert werden.