Eine neuartige steuerbare Kraft in Elektrolytlösungen

Applying an electric field across an ion channel leads to opposite currents of cations and anions.
© MPIDS / Novak, Mahdisoltani & Golestanian

Elektrisch leitende Lösungen, „Elektrolyte“, sind nicht nur in Batterien und Kondensatoren allgegenwärtig, sondern auch in Biofluiden wie Blutplasma. Von großer praktischer Bedeutung ist es daher zu verstehen, wie Elektrolyte genutzt werden können, um lebende Zellen oder andere Objekte, die in sie eingetaucht sind, zu kontrollieren. In einer neuen Studie, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, decken Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) in Göttingen und der Universität Oxford auf, wie Kräfte in Elektrolytlösungen über große Distanzen hinweg und mit einem beispiellosen Maß an Kontrolle übertragen werden können.

Selbst aus großer Entfernung stoßen sich gleichnamige Ladungen ab, während sich ungleichnamige Ladungen gegenseitig anziehen. Diese „Fernwirkung“ macht die Untersuchung von Elektrolyten, die aus zahlreichen, sich in einem Lösungsmittel (normalerweise Wasser) bewegenden Ionen bestehen, schwierig, da sie impliziert, dass alle Ionen die Bewegungen der anderen zu jedem Zeitpunkt beeinflussen. Wenn sich jedoch ungleichnamige Ionen aufgrund gegenseitiger Anziehungskraft einander nähern, wird ihre Wirkung auf weiter entfernte Ionen aufgehoben, ein Phänomen, das oft als „Abschirmung“ bezeichnet wird.

Das Konzept der Abschirmung bietet einen einfachen Rahmen für die Modellierung von Elektrolyten, nämlich die Molekularfeld-Näherung, die annimmt, dass Ionen, die sich in einem großen Abstand voneinander befinden, keine effektive Kraft aufeinander ausüben können. Mehrere aktuelle experimentelle Ergebnisse haben allerdings starke Abweichungen von solchen Näherungslösungen gezeigt und verlangen nach neuartigen Theorien. Die neue Studie von Saeed Mahdisoltani und Ramin Golestanian beleuchtet die Frage, wie sich Ionen in Elektrolyten verhalten, wenn sie durch ein angelegtes elektrisches Feld in Bewegung gesetzt werden.

Insbesondere stellen die Forscher dabei fest, dass auch weit voneinander entfernte Ionen immer noch miteinander korreliert sind, im deutlichen Widerspruch zum Konzept der „Abschirmung“. „Diese Erkenntnis hat wichtige Implikationen in Bezug auf die Kräfte, die auf externe Objekte ausgeübt werden, wenn sie von einem Elektrolyten umgeben sind, der einem äußeren elektrischen Feld ausgesetzt ist, wie in dieser Arbeit detailliert beschrieben wird“, sagt Ramin Golestanian, Direktor der Abteilung Physik lebender Materie am MPIDS.

Dynamische Fluktuationen können die Abschirmung umgehen

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts durchgeführte Studien, einschließlich der bahnbrechenden Arbeit von Debye und Hückel, haben den Abschirmungsmechanismus in neutralen Elektrolytlösungen im Gleichgewicht aufgedeckt. Obwohl seit dem viel ausgefeiltere Modelle entstanden sind, ist das Konzept der Abschirmung weitgehend unverändert geblieben und hat somit einen großen Teil der theoretischen Arbeit über Elektrolyte beeinflusst. Die Abschirmung ergibt sich auch ganz natürlich in der Molekularfeldtheorie der Dynamik von Elektrolyten, wie z.B. in der bekannten „Poisson-Nernst-Planck-Gleichung“.

In ihrer Studie sind die Wissenschaftler über den konventionellen Näherungsansatz hinausgegangen, indem sie die Auswirkungen der Ionenfluktuationen unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes berücksichtigt haben. „Die Ergebnisse der Studie zeigen zum ersten Mal neuartige, dynamisch erzeugte Korrelationen, die skaleninvariant sind und keine Abschirmlänge haben“, sagt Saeed Mahdisoltani, der Erstautor der Arbeit. Mahdisoltani fügt hinzu: „Dies ist eigentlich ein generisches Phänomen, das allein auf die Anisotropie zurückzuführen ist, die durch das elektrische Feld entsteht: das Feld verformt die Wolke aus entgegengesetzten Ladungen um jedes Ion herum und führt zu Korrelationen, die nicht abgeschirmt werden. Es ist daher anzunehmen, dass dieser Mechanismus in einer Vielzahl von Systemen mit einer gleichen Anzahl von beweglichen Ladungen gilt, einschließlich Elektrolyten mit asymmetrischen Ladungen und Ionenflüssigkeiten, und daher kann er die Betrachtung und Modellierung von angeregten geladenen Lösungen stark verändern.

Steuerbare langreichweitige fluktuationsinduzierte Kräfte

„Eine wichtige Auswirkung der langreichweitigen dynamischen Korrelationen ist, dass externe Objekte, die weit voneinander in den Elektrolyten eingebracht werden, Kräfte aufeinander ausüben, da sie die Fluktuationen der gesamten Lösung und nicht nur ihrer unmittelbaren Umgebung beeinflussen“, erklärt Golestanian. „Dieser Effekt ist ein neuartiges Beispiel für die Entstehung von nicht-trivialen Kräften durch die Fluktuationen in einem Medium, wie sie normalerweise in kritischen Systemen auftreten und bei der Manipulation von Kolloiden von großem Nutzen sind“, spezifiziert Mahdisoltani, „Es ist jedoch erstaunlich, wie weit steuerbar diese neue Kraft ist, d.h. sowohl ihre Stärke als auch ihre Richtung (anziehend oder abstoßend) können durch die Einstellung des angelegten elektrischen Feldes verändert werden.“ Die Autoren erläutern in ihrem Artikel, dass eine derartige Kontrolle über eine generische Kraft bei großen Entfernungen selten ist und daher diesen neuartigen Effekt von vielen anderen Fluktuationskräften unterscheidet. „Die außergewöhnlichen Eigenschaften dieser neuartigen Kraft sind vielversprechend für die Entwicklung neuer Konstruktionsprinzipien in Anwendungen, die von der Manipulation von Zellmembranen bis zum Design von Superkondensatoren, Nanoporen und Ionenkanälen reichen“, schließt Golestanian.

Originalpublikation:

Saeed Mahdisoltani and Ramin Golestanian, „Long-range fluctuation-induced forces in driven electrolytes“, Physical Review Letters 126 (2021) 158002, DOI 10.1103/PhysRevLett.126.158002

Weitere Informationen:

https://www.ds.mpg.de/3725855/210412_prl_golestanian

http://www.ds.mpg.de/

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Dr. Guido Schriever Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

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