الطبقة المزدوجة (علم الأسطح)

📅 آخر تحديث: ١٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 11 صور
الموسوعة الحرة
رسم تخطيطي للطبقة الكهربائية المزدوجة (EDL) في محلول مائي عند السطح الفاصل مع سطح معدني صلب مشحون بشحنة سالبة. الكرة الزرقاء الموجبة: كاتيونات؛ الكرات الحمراء السالبة: أنيونات. يزداد عدد الكاتيونات في الطبقة الكهربائية المزدوجة بالقرب من السطح المشحون بشحنة سالبة لمعادلة هذه الشحنات السالبة والحفاظ على التعادل الكهربائي. لا يُظهر الرسم الشحنات السالبة للسطح بشكل واضح.

في علم الأسطح ، تُعرف الطبقة المزدوجة ( DL ، وتُسمى أيضًا الطبقة المزدوجة الكهربائية ، EDL ) بأنها بنية تظهر على سطح جسم ما عند تعرضه لسائل . قد يكون هذا الجسم جسيمًا صلبًا ، أو فقاعة غاز ، أو قطرة سائلة ، أو جسمًا مساميًا . تشير الطبقة المزدوجة إلى طبقتين متوازيتين من الشحنة تحيطان بالجسم. تتكون الطبقة الأولى، وهي شحنة السطح (سواء كانت موجبة أو سالبة)، من أيونات ممتصة على الجسم نتيجة تفاعلات كيميائية . أما الطبقة الثانية، فتتكون من أيونات تنجذب إلى شحنة السطح بفعل قوة كولوم ، مما يؤدي إلى حجب الطبقة الأولى كهربائيًا. ترتبط هذه الطبقة الثانية بالجسم ارتباطًا ضعيفًا، فهي تتكون من أيونات حرة تتحرك في السائل تحت تأثير التجاذب الكهربائي والحركة الحرارية ، بدلًا من أن تكون مثبتة بإحكام. ولذلك تُسمى "الطبقة المنتشرة".

تظهر طبقات التوصيل السطحية بوضوح في الأنظمة ذات نسبة مساحة السطح إلى الحجم الكبيرة ، مثل الغرويات أو الأجسام المسامية التي تحتوي على جسيمات أو مسام (على التوالي) يتراوح حجمها من الميكرومترات إلى النانومترات . ومع ذلك، فإن طبقات التوصيل السطحية مهمة لظواهر أخرى، مثل السلوك الكهروكيميائي للأقطاب الكهربائية .

تؤدي طبقات الدهون دورًا أساسيًا في العديد من المواد اليومية. فعلى سبيل المثال، لا يوجد الحليب المتجانس إلا لأن قطرات الدهون مغطاة بطبقة دهون تمنعها من التخثر إلى زبدة . وتوجد طبقات الدهون عمليًا في جميع الأنظمة السائلة غير المتجانسة ، مثل الدم والطلاء والحبر وملاط السيراميك والأسمنت .

يرتبط DL ارتباطًا وثيقًا بالظواهر الكهروكينيتيكية والظواهر الكهروصوتية [ 1 ] .

تطور الطبقة المزدوجة (البينية)

هيلمهولتز

رسم توضيحي مبسط للتطور المحتمل في المنطقة وفي المسار اللاحق لطبقة هيلمهولتز المزدوجة.

عند ملامسة موصل إلكتروني لموصل أيوني صلب أو سائل (إلكتروليت)، يظهر حد فاصل مشترك ( سطح بيني ) بين الطورين . كان هيرمان فون هيلمهولتز [ 2 ] أول من أدرك أن الأقطاب الكهربائية المشحونة المغمورة في محاليل الإلكتروليت تتنافر مع الأيونات المتوافقة مع الشحنة، بينما تجذب الأيونات المضادة إلى أسطحها. تتشكل طبقتان متعاكستان في القطبية عند السطح الفاصل بين القطب والإلكتروليت. في عام 1853، بيّن أن الطبقة المزدوجة الكهربائية (DL) هي في الأساس عازل جزيئي ، وتخزن الشحنة كهربائيًا. [ 3 ] عند جهد أقل من جهد تحلل الإلكتروليت، تتناسب الشحنة المخزنة خطيًا مع الجهد المطبق.

تنبأ هذا النموذج المبكر بسعة تفاضلية ثابتة مستقلة عن كثافة الشحنة، وتعتمد على ثابت العزل الكهربائي لمذيب الإلكتروليت وسماكة الطبقة المزدوجة. [ 4 ] [ 5 ]

هذا النموذج، على الرغم من كونه أساسًا جيدًا لوصف الواجهة، لا يأخذ في الاعتبار عوامل مهمة بما في ذلك انتشار/خلط الأيونات في المحلول، وإمكانية الامتزاز على السطح، والتفاعل بين عزم ثنائي القطب للمذيب والقطب الكهربائي.

غوي-تشابمان

لاحظ كلٌّ من لويس جورج غوي عام 1910 وديفيد ليونارد تشابمان عام 1913 أن السعة الكهربائية ليست ثابتة، بل تعتمد على الجهد المطبق وتركيز الأيونات. وقد أدخل "نموذج غوي-تشابمان" تحسيناتٍ كبيرةً من خلال تقديم نموذجٍ منتشرٍ للطبقة المزدوجة. في هذا النموذج، يسمح توزيع شحنة الأيونات كدالةٍ للمسافة من سطح المعدن بتطبيق إحصاءات ماكسويل-بولتزمان . وبالتالي، يتناقص الجهد الكهربائي أُسِّيًّا كلما ابتعدنا عن سطح كتلة السائل. [ 4 ] [ 6 ]

قد تحمل طبقات غوي-تشابمان أهمية خاصة في الكيمياء الحيوية الكهربائية. يُعزى رصد انتقال الإلكترونات بين البروتينات لمسافات طويلة عبر المحلول المائي [ 7 ] إلى منطقة منتشرة بين بروتينات شريكة في تفاعلات الأكسدة والاختزال ( السيتوكروم c و c1 ) تفتقر إلى الكاتيونات مقارنةً بمحلول البروتين، مما يؤدي إلى انخفاض الحجب ، وامتداد المجالات الكهربائية لعدة نانومترات، وانخفاض التيارات بشكل شبه أُسّي مع المسافة بمعدل ~1  نانومتر⁻¹ . تُسمى هذه المنطقة "قناة غوي-تشابمان" [ 7 ] ، وتُنظَّم بشدة بواسطة الفسفرة ، التي تُضيف شحنة سالبة واحدة إلى سطح البروتين، مما يُعطِّل استنزاف الكاتيونات ويمنع نقل الشحنة لمسافات طويلة. [ 8 ] تُلاحَظ تأثيرات مماثلة في الموقع النشط للأكسدة والاختزال في المركبات الضوئية . [ 9 ]

يفشل نموذج غوي-تشابمان في حالة الطبقات المزدوجة عالية الشحنة لأنه يتنبأ بكثافات أيونية عالية بشكل غير منطقي. فعند وجود فروق جهد كبيرة، كما هو الحال عند قطب كهربائي مثالي الاستقطاب ، يتنبأ النموذج بسعة كهربائية ترتفع بشكل أسي مع جهد الانحياز، وهو أمر غير منطقي فيزيائياً، حتى تصل إلى قيم قصوى. [ 10 ]

صارم

في عام 1924، اقترح أوتو شتيرن الجمع بين نموذج هيلمهولتز ونموذج غوي-تشابمان: في نموذج شتيرن، تلتصق بعض الأيونات بالقطب الكهربائي كما اقترح هيلمهولتز، مما يؤدي إلى تكوين طبقة شتيرن الداخلية، بينما تشكل بعضها طبقة غوي-تشابمان المنتشرة. [ 11 ]

تُراعي طبقة ستيرن الحجم المحدود للأيونات، وبالتالي فإن أقرب مسافة تقترب فيها الأيونات من القطب الكهربائي تكون في حدود نصف قطرها الأيوني. ويُعاني نموذج ستيرن من بعض القيود، منها أنه يُعامل الأيونات فعليًا كشحنات نقطية، ويفترض أن جميع التفاعلات المهمة في الطبقة المنتشرة هي تفاعلات كولومية ، ويفترض أن السماحية الكهربائية ثابتة في جميع أنحاء الطبقة المزدوجة، وأن لزوجة السائل ثابتة في المستوى. [ 12 ]

راكب دراجة نارية

في عام 1942، قدم بيكرمان [ 13 ] نهجًا بديلًا يتمثل في تضمين كثافة قصوى في افتراضات الديناميكا الحرارية للمتصل، بما في ذلك حد إنتروبيا الازدحام ( الفراغي ) بدلًا من استخدام إنتروبيا الغاز المثالي ببساطة. وبهذه الطريقة، تُحدَّد كثافة الأيونات كمتصل بشكل طبيعي، ومن خصائص السعة التفاضلية أنها لا تتشبع عند مستوى ثابت (كما هو الحال مع ستيرن-جوي-تشابمان)، بل تظهر "قمة" بعدها تنخفض.1/Vبأناأs{\displaystyle 1/{\sqrt {V_{\mathrm {تحيز} }}}}.

توجد نماذج مختلفة من نوع بايكرمان تحفز كثافة قصوى بطرق مختلفة (لكنها متشابهة)، على سبيل المثال نموذج غاز الشبكة أو نموذج الكرة الصلبة . [ 14 ]

غراهام

تمثيل تخطيطي لنموذج الطبقة المزدوجة على قطب كهربائي (BDM). 1. مستوى هيلمهولتز الداخلي (IHP)، 2. مستوى هيلمهولتز الخارجي (OHP)، 3. الطبقة المنتشرة، 4. الأيونات المذابة (الكاتيونات)، 5. الأيونات الممتزة بشكل خاص (أيون الأكسدة والاختزال، الذي يساهم في السعة الزائفة)، 6. جزيئات مذيب الإلكتروليت

قام دي سي غراهام بتعديل نموذج ستيرن عام 1947. [ 15 ] واقترح أن بعض الأنواع الأيونية أو غير المشحونة يمكنها اختراق طبقة ستيرن، على الرغم من أن أقرب نقطة إلى القطب الكهربائي تشغلها عادةً جزيئات المذيب. قد يحدث هذا إذا فقدت الأيونات غلافها المذيب عند اقترابها من القطب. أطلق غراهام على الأيونات الملامسة مباشرةً للقطب اسم "الأيونات الممتزة بشكل خاص". اقترح هذا النموذج وجود ثلاث مناطق. يمر مستوى هيلمهولتز الداخلي (IHP) عبر مراكز الأيونات الممتزة بشكل خاص. يمر مستوى هيلمهولتز الخارجي (OHP) عبر مراكز الأيونات المذابة عند أقرب مسافة لها من القطب الكهربائي. [ 16 ] وأخيرًا، الطبقة المنتشرة هي المنطقة الواقعة خلف مستوى هيلمهولتز الخارجي.

بوكريس/ديفاناثان/مولر (BDM)

في عام 1963، اقترح كلٌ من ج. أوم. بوكريس ، وم. أ. ف. ديفاناثان، وك. مولر [ 17 ] نموذج BDM للطبقة المزدوجة، والذي يتضمن تأثير المذيب عند السطح البيني. وأشاروا إلى أن جزيئات المذيب المرتبطة، كالماء، تتخذ محاذاة ثابتة مع سطح القطب. تُظهر هذه الطبقة الأولى من جزيئات المذيب توجهاً قوياً نحو المجال الكهربائي تبعاً للشحنة. ويؤثر هذا التوجه بشكل كبير على سماحية المذيب التي تتغير بتغير شدة المجال. يمر مستوى الطاقة البيني (IHP) عبر مراكز هذه الجزيئات. وتظهر في هذه الطبقة أيونات ممتصة بشكل خاص ومذابة جزئياً. أما أيونات الإلكتروليت المذابة فتقع خارج مستوى الطاقة البيني. ويمر مستوى الطاقة الخارجي (OHP) عبر مراكز هذه الأيونات. وتُمثل الطبقة المنتشرة المنطقة الواقعة خلف مستوى الطاقة الخارجي.

تراساتي/بوتزانكا

أظهرت أبحاثٌ لاحقة أجراها سيرجيو تراساتي وجيوفاني بوتزانكا عام 1971 على طبقات مزدوجة من أغشية ثاني أكسيد الروثينيوم أن السلوك الكهروكيميائي لهذه الأقطاب عند الفولتيات المنخفضة مع أيونات ممتصة محددة يُشابه سلوك المكثفات. وقد ينطوي الامتصاص المحدد للأيونات في هذه المنطقة من الجهد على انتقال جزئي للشحنة بين الأيون والقطب. وكانت هذه الخطوة الأولى نحو فهم السعة الزائفة. [ 5 ]

كونواي

بين عامي 1975 و1980، أجرى برايان إيفانز كونواي أبحاثًا أساسية وتطويرية واسعة النطاق على مكثفات أكسيد الروثينيوم الكهروكيميائية. وفي عام 1991، وصف الفرق بين سلوك "المكثف الفائق" و"البطارية" في تخزين الطاقة الكهروكيميائية. وفي عام 1999، صاغ مصطلح "المكثف الفائق" لشرح زيادة السعة الناتجة عن تفاعلات الأكسدة والاختزال السطحية مع نقل الشحنة الفارادية بين الأقطاب والأيونات. [ 18 ] [ 19 ]

يخزن "المكثف الفائق" الذي ابتكره الشحنة الكهربائية جزئيًا في طبقة هيلمهولتز المزدوجة، وجزئيًا نتيجةً لتفاعلات فاراداي مع "السعة الزائفة" المتمثلة في نقل الشحنة للإلكترونات والبروتونات بين القطب الكهربائي والإلكتروليت. وتتمثل آليات عمل المكثفات الزائفة في تفاعلات الأكسدة والاختزال، والتداخل، والامتزاز الكهربائي.

ماركوس

وضع رودولف أ . ماركوس الأسس الفيزيائية والرياضية لانتقال شحنة الإلكترون في غياب الروابط الكيميائية، مما يؤدي إلى ظاهرة السعة الزائفة. تشرح نظرية ماركوس معدلات تفاعلات انتقال الإلكترون، أي معدل انتقال الإلكترون من نوع كيميائي إلى آخر. وقد صِيغت في الأصل لمعالجة تفاعلات انتقال الإلكترون في الغلاف الخارجي ، حيث يتغير شحن نوعين كيميائيين فقط، مع انتقال الإلكترون بينهما. بالنسبة لتفاعلات الأكسدة والاختزال التي لا تتضمن تكوين روابط أو كسرها، تحل نظرية ماركوس محل نظرية الحالة الانتقالية لهنري إيرينغ ، والتي اشتُقت للتفاعلات التي تتضمن تغيرات هيكلية. حصل ماركوس على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1992 عن هذه النظرية. [ 20 ]

الوصف الرياضي

توجد أوصاف تفصيلية للطبقة المزدوجة البينية في العديد من الكتب المتخصصة في علم الغرويات والأسطح البينية [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] ونقل السوائل على المستوى الميكروسكوبي [ 24 ] [ 25 ] . كما يوجد تقرير فني حديث صادر عن الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية [ 26 ] حول موضوع الطبقة المزدوجة البينية والظواهر الكهروكينيتيكية ذات الصلة .

رسم توضيحي مفصل للطبقة البينية

كما ذكر ليكليما، "...يعود سبب تكوّن طبقة مزدوجة "مُسترخية" ("متوازنة") إلى عدم انجذاب الأيونات المُحدِّدة للشحنة إلى السطح كهربائيًا..." [ 27 ]. تؤدي هذه العملية إلى تراكم شحنة كهربائية سطحية ، تُقاس عادةً بوحدة كولوم/متر مربع . تُولِّد هذه الشحنة السطحية مجالًا كهرساكنًا يؤثر بدوره على الأيونات في كتلة السائل. يُولِّد هذا المجال الكهرساكن، بالإضافة إلى الحركة الحرارية للأيونات، شحنة معاكسة، وبالتالي يحجب الشحنة الكهربائية السطحية. تكون الشحنة الكهربائية الكلية في هذه الطبقة المنتشرة الحاجبة مساوية في مقدارها للشحنة السطحية الكلية، ولكنها ذات قطبية معاكسة. ونتيجةً لذلك، يكون التركيب بأكمله متعادلًا كهربائيًا.

يمكن للطبقة المنتشرة، أو جزء منها على الأقل، أن تتحرك تحت تأثير الإجهاد المماسي . يوجد مستوى انزلاق تقليدي يفصل السائل المتحرك عن السائل الملتصق بالسطح. يُسمى الجهد الكهربائي عند هذا المستوى بالجهد الكهروكينيتيكي أو جهد زيتا (ويُشار إليه أيضًا بجهد ζ). [ 28 ] [ 29 ]

يُشار إلى الجهد الكهربائي على الحد الخارجي لطبقة ستيرن مقارنةً بالإلكتروليت الأساسي باسم جهد ستيرن . ويُطلق على فرق الجهد الكهربائي بين كتلة السائل والسطح اسم جهد السطح الكهربائي.

يُستخدم جهد زيتا عادةً لتقدير درجة شحنة طبقة التوصيل. تبلغ القيمة المميزة لهذا الجهد الكهربائي في طبقة التوصيل 25 ملي فولت، مع قيمة قصوى تقارب 100 ملي فولت (تصل إلى عدة فولتات على الأقطاب الكهربائية [ 25 ] [ 30 ] ). يُطلق على التركيب الكيميائي للعينة الذي يكون عنده جهد زيتا صفرًا اسم نقطة الشحنة الصفرية أو النقطة متساوية الكهربائية . ويتم تحديدها عادةً من خلال قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول، نظرًا لأن البروتونات وأيونات الهيدروكسيل هي الأيونات المحددة للشحنة لمعظم الأسطح. [ 25 ] [ 27 ]

يمكن قياس جهد زيتا باستخدام الرحلان الكهربائي ، والظواهر الكهروصوتية ، وجهد التدفق ، والتدفق الكهروأسموزي .

يُعرف سمك طبقة DL المميز بطول ديباي ، κ −1 . وهو يتناسب عكسياً مع الجذر التربيعي لتركيز الأيونات C. في المحاليل المائية، يكون سمكها عادةً في حدود بضعة نانومترات، ويتناقص مع زيادة تركيز الإلكتروليت.

يمكن أن تتراوح شدة المجال الكهربائي داخل طبقة DL من الصفر إلى أكثر من 10⁹ فولت  /متر. وتُعدّ هذه التدرجات الحادة في الجهد الكهربائي سببًا لأهمية طبقات DL.

تُعرف نظرية السطح المستوي والإلكتروليت المتناظر [ 27 ] عادةً بنظرية غوي-تشابمان. وهي تُنتج علاقة بسيطة بين الشحنة الكهربائية في الطبقة المنتشرة σd وجهد ستيرن Ψd : [ 31 ]

σد=-8ε0εمجRتيسينه⁡FΨد2Rتي{\displaystyle \sigma ^{d}=-{\sqrt {{8\varepsilon _{0}}{\varepsilon _{m}}CRT}}\sinh {\frac {F\Psi ^{d}}{2RT}}}

لا يوجد حل تحليلي عام للإلكتروليتات المختلطة، أو الأسطح المنحنية، أو حتى الجسيمات الكروية. يوجد حل تقريبي للجسيمات الكروية ذات طبقات الشحنة المنخفضة. في حالة كون الجهد الكهربائي على طبقة الشحنة أقل من 25 ملي فولت، يُطبَّق ما يُعرف بتقريب ديباي-هوكيل. ويعطي هذا التقريب الصيغة التالية للجهد الكهربائي Ψ في طبقة الشحنة الكروية كدالة للمسافة r من مركز الجسيم:

Ψ(ر)=Ψدأرخبرة⁡(-κ(ر-أ)){\displaystyle {\Psi }(r)={\Psi ^{d}}{\frac {a}{r}}\exp({-\kappa }(ra))}

هناك العديد من النماذج التقاربية التي تلعب أدوارًا مهمة في التطورات النظرية المرتبطة بالطبقة المزدوجة البينية.

النموذج الأول هو "الطبقة الرقيقة". يفترض هذا النموذج أن الطبقة الرقيقة أرق بكثير من نصف قطر الجسيم الغرواني أو الشعيرة الدموية. وهذا يقيد قيمة طول ديباي ونصف قطر الجسيم كما يلي: κأ≫1{\displaystyle \kappa a\gg 1}

يقدم هذا النموذج تبسيطات هائلة عند تطبيقه على نظريات الترحيل الكهربائي والظواهر الكهروصوتية .

يُعدّ نموذج الطبقة المزدوجة الرقيقة صالحًا لمعظم الأنظمة المائية لأن طول ديباي لا يتجاوز بضعة نانومترات في هذه الحالات. ولا يصحّ هذا النموذج إلا بالنسبة للجسيمات النانوية الغروية في محاليل ذات قوى أيونية قريبة من قوة الماء.

يفترض نموذج "الطبقة العميقة السميكة" المعارض أن طول ديباي أكبر من نصف قطر الجسيم:

κأ<1{\displaystyle \kappa a<1}

يمكن أن يكون هذا النموذج مفيدًا لبعض الغرويات النانوية والسوائل غير القطبية، حيث يكون طول ديباي أكبر بكثير.

يقدم النموذج الأخير "أطوال ديباي المتداخلة". وهذا مهم في التشتتات المركزة والمستحلبات عندما تصبح المسافات بين الجسيمات قابلة للمقارنة بطول ديباي.

طبقات كهربائية مزدوجة

الطبقة الكهربائية المزدوجة ( EDL ) هي نتيجة لتغير الجهد الكهربائي بالقرب من السطح، ولها تأثير كبير على سلوك الغرويات والأسطح الأخرى المتصلة بالمحاليل أو الموصلات الأيونية السريعة في الحالة الصلبة .

يتمثل الفرق الأساسي بين الطبقة المزدوجة على قطب كهربائي وتلك الموجودة على سطح فاصل في آلية تكوين الشحنة السطحية . ففي حالة القطب الكهربائي، يُمكن تنظيم الشحنة السطحية بتطبيق جهد كهربائي خارجي. إلا أن هذا التطبيق غير ممكن في الطبقات المزدوجة الغروية والمسامية، لأنه بالنسبة للجسيمات الغروية، لا يُمكن الوصول إلى داخل الجسيم لتطبيق فرق جهد.

تتشابه طبقات EDL مع الطبقة المزدوجة في البلازما .

السعة التفاضلية

تتميز طبقات الشحنة الكهربائية المزدوجة (EDLs) بمعامل إضافي يحدد خصائصها: السعة التفاضلية . تُوصف السعة التفاضلية، التي يُرمز لها بـ C ، بالمعادلة التالية:

ج=دσدΨ{\displaystyle C={\frac {d\sigma }{d\Psi }}}

حيث σ هي الشحنة السطحية و ψ هي الجهد الكهربائي السطحي .

انتقال الإلكترون في الطبقة المزدوجة الكهربائية

لطالما اعتُبر تكوين الطبقة الكهربائية المزدوجة (EDL) عمليةً تهيمن عليها عملية امتزاز الأيونات وإعادة توزيعها. ونظرًا لأن التكهرب التلامسي بين المواد الصلبة يعتمد بشكل أساسي على انتقال الإلكترونات، فقد اقترح وانغ أن الطبقة الكهربائية المزدوجة تتكون عبر عملية من خطوتين. [ 32 ] في الخطوة الأولى، عندما تقترب جزيئات المحلول من سطح بكر خالٍ من الشحنات السطحية، فمن المحتمل أن تتفاعل ذرات/جزيئات المحلول مباشرةً مع ذرات السطح الصلب لتكوين تداخل قوي لسحب الإلكترونات. يحدث انتقال الإلكترونات أولًا لشحن الذرات "المتعادلة" على السطح الصلب، أي تكوين الأيونات. في الخطوة الثانية، إذا وُجدت أيونات في السائل، مثل H + وOH- ، فإن الأيونات السالبة المنتشرة بشكل غير محكم في المحلول ستنجذب للهجرة نحو الأيونات المرتبطة بالسطح بفعل التفاعلات الكهروستاتيكية، مما يؤدي إلى تكوين الطبقة الكهربائية المزدوجة. يتواجد كل من انتقال الإلكترونات وانتقال الأيونات معًا عند السطح البيني بين السائل والصلب. [ 33 ]

نموذج "الخطوتين" (نموذج وانغ) لتكوين الطبقة المزدوجة الكهربائية (EDL) عند واجهة سائلة صلبة، حيث يلعب نقل الإلكترون دورًا مهيمنًا في الخطوة الأولى.

ديناميكيات الطبقة الكهربائية المزدوجة

تمّت دراسة ديناميكيات الطبقة الكهربائية المزدوجة (EDL) عند سطح التماس بين الهواء والإلكتروليت عند تركيزات عالية للإلكتروليت باستخدام تقنية بصرية بالكامل. في هذه التجارب، تمّ تغيير ميل البروتونات (H₃O⁺) للسطح عند سطح التماس بين الهواء والمحلول المائي بشكل شبه فوري، وتمّت مراقبة الاسترخاء اللاحق للطبقة الكهربائية المزدوجة باستخدام مطيافية الاهتزازات ذات الدقة الزمنية الفيمتوثانية. حدثت إعادة تنظيم الطبقة الكهربائية المزدوجة على نطاق زمني بيكوثانية، وأظهرت اعتمادًا قويًا على تركيز الأيونات. كشفت محاكاة ديناميكيات الجزيئات غير المتوازنة (MD) والنمذجة التحليلية للمجال المتوسط، استنادًا إلى صيغة معدلة لمعادلات بواسون-نيرنست-بلانك مقترنة بمعادلة سمولوشوفسكي للانتشار ، أن توصيل الأيونات هو الآلية الأساسية التي تحكم ديناميكيات الطبقة الكهربائية المزدوجة. أظهرت النتائج التجريبية والنظرية مجتمعة أن نظرية ديباي-فالكنهاجن الكلاسيكية يمكنها وصف استرخاء الطبقة الكهربائية المزدوجة بدقة حتى عند التركيزات الأيونية العالية، مما يشير إلى إمكانية تطبيقها خارج نطاق المحاليل المخففة. [ 34 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ دوخين، أندريه س.؛ شو، رينليانغ (2025). جهد زيتا: الأساسيات والأساليب والتطبيقات . لندن، كامبريدج، ماساتشوستس: أكاديميك برس. ISBN 978-0-443-33443-6.
  2. ^ هيلمهولتز، هـ. (1853)، “Ueber einige Gesetze der Vertheilung elektrischer Ströme in körperlichen Leitern mit Anwendung auf die thierisch-elektrischen Ver suche” ، Annalen der Physik und Chemie (بالألمانية)، المجلد. 165، لا. 6، الصفحات من 211 إلى 233، بيب كود : 1853AnP...165..211H ، دوى : 10.1002/andp.18531650603   
  3. ↑ "الطبقة الكهربائية المزدوجة" . 2011. مؤرشف من الأصل في 31 مايو 2011. تم الاطلاع عليه في 23 أبريل 2013 .
  4. 1 2 آدم ماركوس ناميسنيك. "دراسة استقصائية لتكنولوجيا المكثفات الفائقة الكهروكيميائية" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 22-12-2014 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10-12-2012 .
  5. 1 2 سرينيفاسان س. (2006) خلايا الوقود، من الأساسيات إلى التطبيقات، كتب سبرينغر الإلكترونية، ISBN 978-0-387-35402-6الفصل الثاني ، واجهات القطب/الإلكتروليت: بنية وحركية نقل الشحنة. (769  كيلوبايت)
  6. ↑ إهرنشتاين، جيرالد (2001). "الشحنة السطحية" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 28 سبتمبر 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 مايو 2011 .
  7. 1 2 لاجوناس، آنا؛ غيرا كاستيلانو، أليخاندرا؛ نين هيل، ألبا؛ دياز مورينو، إيرين؛ دي لا روزا، ميغيل أ؛ ساميتيير، جوزيب. روفيرا، كارمي؛ جوروستيزا ، باو (2018/12/04). "انتقال الإلكترون لمسافات طويلة من خلال المحلول المائي بين البروتينات الشريكة للأكسدة والاختزال" . اتصالات الطبيعة . 9 (1): 5157. بيب كود : 2018NatCo...9.5157L . دوى : 10.1038/s41467-018-07499-x . ISSN 2041-1723 . بمك 6279779 . بميد 30514833 . S2CID 54444826 .    
  8. ^ جوميلا ، ألكسندر إم جي. بيريز ميخياس، غونزالو؛ نين هيل، ألبا؛ غيرا كاستيلانو، أليخاندرا؛ كاساس فيرير، لورا؛ أورتيز-تيسكاري، ستيفاني؛ دياز كوينتانا، أنطونيو؛ ساميتيير، جوزيب. روفيرا، كارمي؛ دي لا روزا، ميغيل أ. دياز مورينو، إيرين؛ جوروستيزا، باو؛ جيانوتي، مارينا الأول؛ لاجوناس ، آنا (2022/11/19). "الفسفرة تعطل نقل الإلكترون لمسافات طويلة في السيتوكروم ج" . اتصالات الطبيعة . 13 (1): 7100. بيب كود : 2022NatCo..13.7100G . doi : 10.1038/ s41467-022-34809-1 . PMC 9675734. PMID 36402842 .  
  9. ↑ لوبيز-أورتيز، مانويل؛ زامورا، ريكاردو أ.؛ جيانوتي، مارينا إينيس؛ هو، تشين؛ كروتشي، روبرتا؛ غوروستيزا، باو (فبراير 2022). "اعتماد نقل الشحنة عبر مركز التفاعل في المركبات الضوئية الفردية على المسافة والجهد" . سمول . 18 (7) 2104366. Bibcode : 2022Small..1804366L . doi : 10.1002 / smll.202104366 . hdl : 2445/191184 . ISSN 1613-6810 . PMID 34874621. S2CID 244922892 .   
  10. ↑ هوانغ، ييكي؛ ليو، شياوهونغ؛ لي، شو؛ يان، تيانيينغ (2016). "تطوير نظرية الطبقة المزدوجة الكهربائية للمجال المتوسط". الفيزياء الصينية ب . 25 (1) 016801. Bibcode : 2016ChPhB..25a6801Y . doi : 10.1088/1674-1056/25/1/016801 .
  11. ^ ستيرن، أو. (1924). "Zur Theorie der Elektrolytischen Doppelschicht". Zeitschrift für Elektrochemie . 30 ( 21 – 22): 508. دوى : 10.1002/bbpc.192400182 . S2CID 138033996 . 
  12. ↑ سميرنوف، جيرالد (2011). "الطبقة المزدوجة الكهربائية" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 أبريل 2013 .
  13. ↑ بايكرمان، ج. ج.، أو. (1942). "39. بنية وسعة الطبقة المزدوجة الكهربائية". مجلة لندن وإدنبرة ودبلن الفلسفية ومجلة العلوم . 33 (220): 384-397 . Bibcode : 1942LEDPM..33..384B . doi : 10.1080/14786444208520813 .
  14. ↑ هورنغ، تزي-لينغ (2020). "مراجعة وتعديل نموذج الإنتروبيا للتأثيرات الفراغية في معادلة بواسون-بولتزمان" . إنتروبي . 22 ( 6): 632. Bibcode : 2020Entrp..22..632H . doi : 10.3390/e22060632 . PMC 7517166. PMID 33286407 .  
  15. ↑ غراهام، ديفيد سي. (1947). "الطبقة المزدوجة الكهربائية ونظرية الخاصية الشعرية الكهربائية". مراجعات كيميائية . 41 (3): 441-501 . doi : 10.1021/cr60130a002 . ISSN 0009-2665 . PMID 18895519 .  
  16. ^ ناكامورا، ماساشي. ساتو، ناروماسا؛ هوشي، ناجاهيرو؛ ساكاتا، أوسامي (2011). “طائرة هيلمهولتز الخارجية للطبقة الكهربائية المزدوجة المتكونة عند الواجهة الصلبة للسائل الكهربائي”. كيمفيزيكيم . 12 (8): 1430–1434 . دوى : 10.1002/cphc.201100011 . ردمك 1439-4235 . بميد 21557434 .  
  17. ↑ ج. أوم. بوكريس؛ م. أ. ف. ديفاناثان؛ ك. مولر (1963). "حول بنية الأسطح المشحونة". وقائع الجمعية الملكية في لندن. السلسلة أ. العلوم الرياضية والفيزيائية . 274 (1356): 55-79 . Bibcode : 1963RSPSA.274...55B . doi : 10.1098/rspa.1963.0114 . ISSN 2053-9169 . S2CID 94958336 .  
  18. ↑ كونواي، بي إي (مايو 1991)، "الانتقال من سلوك 'المكثف الفائق' إلى سلوك 'البطارية' في تخزين الطاقة الكهروكيميائية"، مجلة الجمعية الكهروكيميائية (بالألمانية)، المجلد 138، العدد 6، الصفحات 1539-1548 ، رمز Bibcode : 1991JElS..138.1539C ، doi : 10.1149/1.2085829   
  19. ↑ AK Shukla, TP Kumar, موسوعة الكيمياء الكهربائية، أعمدة الكيمياء الكهربائية الحديثة: تاريخ موجز مؤرشف في 20 أغسطس 2013، في Wayback Machine معهد البحوث الكهروكيميائية المركزي، (نوفمبر 2008)
  20. ↑ "الكيمياء 1992" . nobelprize.org .
  21. ↑ دوخين، إس إس وديرجاجين، بي في "الظواهر الكهروكينيتيكية"، جيه. وايلي وأولاده، 1974
  22. ↑ راسل، دبليو بي، سافيل، دي إيه وشوالتر، دبليو آر "التشتتات الغروية"، مطبعة جامعة كامبريدج، 1989
  23. ↑ كرويت، إتش آر "علم الغرويات"، إلسيفير: المجلد 1، الأنظمة غير القابلة للانعكاس، (1952)
  24. ↑ بروس، هـ. (2007). الموائع الدقيقة النظرية .
  25. 1 2 3 كيربي، بي جيه (2010). ميكانيكا الموائع على المستويين الميكروي والنانوي: النقل في الأجهزة الميكروفلويدية . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-11903-0أُرشف من المصدر الأصلي بتاريخ 28 أبريل 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 يناير 2010 .
  26. ↑ "قياس وتفسير الظواهر الكهروكينيتيكية"، الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية، تقرير فني، نُشر في مجلة الكيمياء البحتة والتطبيقية، المجلد 77، العدد 10، الصفحات 1753-1805، 2005 (pdf)
  27. 1 2 3 ليكليما، ج. "أساسيات علم الأسطح البينية والغرويات"، المجلد 2، الصفحة 3.208، 1995
  28. ↑ موريسون، إيان د.؛ روس، سيدني (2002). التشتتات الغروية: المعلقات، والمستحلبات، والرغوات ( الطبعة الثانية). نيويورك، نيويورك: وايلي. ISBN  978-0-471-17625-1.
  29. ↑ جيانغ، جينغكون؛ أوبردورستر، غونتر؛ بيسواس، براتيم (25 يونيو 2008). "توصيف حجم وشحنة سطح وحالة تكتل تشتتات الجسيمات النانوية للدراسات السمية". مجلة أبحاث الجسيمات النانوية . 11 (1): 77-89 . Bibcode : 2009JNR....11...77J . doi : 10.1007/s11051-008-9446-4 . S2CID 95536100 . 
  30. ↑ VS Bogotsky، أساسيات الكيمياء الكهربائية، Wiley-Interscience، 2006.
  31. ↑ هاناور، د.أ.هـ؛ غديري، م.؛ تشزانوفسكي، و.؛ غان، ي. (2014). "توصيف مساحة السطح القابلة للتطوير بواسطة التحليل الكهروكينيتيكي لامتزاز الأنيونات المعقدة" ( ملف PDF) . لانغمير . 30 (50): 15143-15152 . arXiv : 2106.03411 . doi : 10.1021/la503581e . hdl : 1959.4/unsworks_76365 . PMID 25495551. S2CID 4697498 .  
  32. ↑ وانغ، زد إل؛ وانغ، إيه سي (2019). "حول أصل التكهرب التلامسي". مواد اليوم . 30 : 34. doi : 10.1016/j.mattod.2019.05.016 . S2CID 189987682 . 
  33. ↑ لين، إس كيو؛ شو، إل؛ وانغ، إيه سي؛ وانغ، زد إل (2020). "تحديد كمية انتقال الإلكترونات والأيونات في التكهرب الناتج عن التلامس بين السائل والصلب وآلية تكوين الطبقة المزدوجة الكهربائية" . نيتشر كوميونيكيشنز . 11 (1): 399. doi : 10.1038/s41467-019-14278-9 . PMC 6972942. PMID 31964882 .  
  34. ↑ غريكو، أ.؛ إيموتو، س.؛ باكوس، إي إتش جي؛ ناغاتا، ي.؛ هانغر، ج.؛ بون، م. (2025). "ديناميكيات الطبقة المزدوجة الكهربائية المائية فائقة السرعة". مجلة ساينس . 388 (6745): 405-410 . رمز Bibcode : 2025Sci...388..405G . doi : 10.1126/science.adu5781 . PMID 40273265 . 

للمزيد من القراءة

  • الطبقة الكهربائية المزدوجة