Superfícies carregadas submersas em uma solução eletrolítica podem, às vezes, ficar com carga oposta. Este fenômeno não intuitivo, conhecido como inversão de carga, acontece quando o excesso de contra-íons adsorve, ou aderir, à superfície. Pode ocorrer em vários ambientes químicos e biológicos. Em certas situações, a teoria prevê que uma superfície altamente carregada não muda apenas de sinal, mas pode se tornar mais carregada do que a superfície original. Isso é conhecido como reversão de carga gigante, mas permanece controverso e nunca foi observado experimentalmente.

Resultados reportados esta semana no Journal of Chemical Physics confirme, pela primeira vez, inversão de carga gigante para uma superfície em contato com uma solução eletrolítica trivalente. Em contraste com as observações anteriores, isso não exigia uma superfície altamente carregada.

Os investigadores, Zhi-Yong Wang, da Universidade de Tecnologia de Chongqing, na China, e Jianzhong Wu da Universidade da Califórnia, Riverside, descobriram que a resposta dielétrica do solvente aumenta a correlação de íons multivalentes com grupos de superfície com carga oposta. Isso facilita a formação de acoplamentos interfaciais de cargas opostas, chamados pares de Bjerrum, e leva à inversão de carga gigante observada.

"Estudos teóricos anteriores não forneceram uma descrição confiável do comportamento interfacial iônico em sistemas deste tipo, "Disse Wang. Por exemplo, não há consenso na literatura sobre que tipo de interação domina o excesso de adsorção de contra-íons multivalentes em uma interface carregada.

O presente estudo considera os efeitos combinados de cargas superficiais discretas, volume de íon excluído, ondulações superficiais e variação espacial da resposta dielétrica. Este último foi permitido variar uma vez que a permissividade e a dinâmica de carga da água em nanoporos, como aqueles em canais iônicos em membranas celulares, pode ser drasticamente diferente da água a granel.

Por todas essas razões, os pesquisadores deram uma olhada mais de perto na resposta dielétrica de eletrólitos confinados em um sistema de modelo realista. Isso levou às suas observações relatadas aqui. Uma razão pela qual os estudos anteriores não perceberam o fenômeno observado de reversão de carga gigante, Wang disse, é porque o inerentemente heterogêneo, a natureza não uniforme da carga superficial foi desprezada. No estudo atual, eles mostraram que a heterogeneidade da carga superficial e a resposta dielétrica do solvente não são duas questões distintas, mas devem ser considerados juntos. Em particular, uma compreensão clara do papel desempenhado pelas cargas de imagem é essencial para obter uma interpretação consistente dos resultados experimentais.

Essas observações indicam que a suposição comum de uma densidade de carga superficial uniforme é questionável na presença de íons multivalentes. Tal suposição não fornece uma representação fiel da estrutura interfacial e parece perder importantes aspectos da física que ocorrem em espaços confinados, como aqueles comuns em sistemas biológicos.

Os autores planejam estender seu estudo para examinar outras soluções eletrolíticas misturadas em contato com superfícies curvas ou irregulares. Além disso, mais trabalho é necessário para contabilizar a falta de homogeneidade dielétrica local perto de superfícies carregadas, que vão além dos modelos tradicionais.