The principle mechanism of the electrostatic interaction between colloids in water.
水中におけるコロイド間の静電相互作用の作用原理
コロイドの分散および凝集は、これまで、電気二重層力およびファンデルワールス力のバランスによって議論されてきた（DLVO理論）。電気二重層力は、Poisson-Boltzmann方程式を解くことによって得られる電位分布を用い、いくつかの近似を行うことによって定式化されてきた。DLVO理論によると電気二重層力は溶液中のイオン強度に依存すると予測される。すなわち、コロイド間の平衡距離もイオン強度によって決まると予想される。一方、我々は、共イオンの価数の異なる３つの電解質溶液中でアニオン性リン脂質DOPSの平衡膜間距離をX線小角散乱を用いて測定し、実験結果がこの予測と一致しないことを見出した。
一般に、凝集したコロイド系におけるコロイド凝集相およびバルク相のイオン濃度は、Gibbs-Donnan平衡によって近似的に計算することができる。今回の場合にイオン濃度を計算すると、添加されたイオンは対イオン・共イオンともに、そのほとんどが二重膜間の水相からバルク相に放出されると計算された。この状態は、これまでDLVO理論において電気二重層力を計算する際に考慮されてきたイオン分布とは大きく異なる。今回計算されたイオンの不均質な分布のもとでは、電気二重層力はDLVO理論で使用されてきた古典的なものとは異なるものとなり、膜間に電気的中性を保つために残った対イオンによる斥力とイオンの不均一分布によって生まれる浸透圧の足し合わせとなる。浸透圧は膜間に対して引力的に働く。今回得られた実験結果はこの式を用いて大変によく説明することができた。その際、ファンデルワールス力は浸透圧に比べて十分に弱く、ほとんど無視できることも分かった。
M. Hishida, Y. Nomura, R. Akiyama, Y. Yamamura, K. Saito, Phys. Rev. E, 96, 040601 (2017).
Dispersion and aggregation of colloids have been discussed by the balance of electric double layer force and van der Waals force (DLVO theory). The DLVO theory predicts that the electric double layer force depends on the ionic strength in the solution. In other words, the equilibrium distance between the colloids is also expected to be determined by the ionic strength. On the other hand, we have measured the equilibrium interlayer distances of anionic phospholipid bilayers in three electrolyte solutions with different valences of the cations using small angle X-ray scattering and found that the experimental results do not agree with this prediction.
In general, the ionic concentrations of the colloidal aggregated phase and bulk phases can be calculated approximately by Gibbs-Donnan equilibrium. When the ion concentrations were calculated in the present case, it was calculated that most of the added ions, both counterions and co-ions, were released from the aqueous phase between the bilayers into the bulk phase. This state differs significantly from the ion distribution that has been considered when calculating the electric double layer force in DLVO theory. Under the heterogeneous distribution of ions calculated here, the electric double layer force will be different from the classical one used in DLVO theory, and will be the sum of the osmotic pressure generated by the heterogeneous distribution of ions and the repulsive force of the remaining counterions to maintain electrical neutrality between the membranes. The osmotic pressure acts as an attractive force between the membranes. The experimental results obtained in this study can be explained very well by using this equation. It was also found that the van der Waals force is sufficiently weak compared to the osmotic pressure that it is almost negligible.
M. Hishida, Y. Nomura, R. Akiyama, Y. Yamamura, K. Saito, Phys. Rev. E, 96, 040601 (2017).