1P03B02229

Streszczenie projektu: Dynamiczna kontrola efektywności ekranowania oddziaływań
elektrostatycznych w roztworach elektrolitycznych.
Proponowane badania inspirowane są odkryciem [R. Hołyst, A. Poniewierski, et. al., Phys. Rev. Lett.
81, 5848 (1998)] dokonanym przez dwóch pracowników Zakładu III IChF PAN, którzy w 1998 roku odkryli, że
możliwe jest układanie linii dyslokacji w cienkiej warstwie ferroelektrycznego smektyka C* wzdłuż linii
zmiennego pola elektrycznego dzięki częściowemu znoszeniu ekranowania ładunków polaryzacyjnych
cząsteczek ciekłego kryształu przez mikrojony obecne w próbce. Odkrycie to zostało wyróżnione przez laureata
nagrody Nobla, V. Ginzburga, w przeglądowym artykule „Jakie problemy w fizyce i astrofizyce wydają się być
najbardziej interesujące na progu dwudziestego pierwszego wieku”.
Celem proponowanego programu badawczego jest zrozumienie zjawiska dynamicznego znoszenia
efektywności ekranowania oddziaływań elektrostatycznych w roztworach makro- i mikro-jonów za pomocą
zewnętrznie przyłożonego, zmiennego pola elektrycznego. Cel o charakterze podstawowym to obserwacja
eksperymentalna i zrozumienie nierównowagowego rozkładu jonów w układach elektrolitycznych, a o
znaczeniu stosowanym, to opracowanie metod wykorzystania kontroli efektywności ekranowania oddziaływań
elektrostatycznych do krystalizacji i kontroli struktury kryształów koloidalnych. Wyniki badań mają potencjalne
znacznie w takich zagadnieniach jak poprawa rozdzielczości elektroforezy kapilarnej, czy tworzenie
elektronicznie sterowanych przełączników optycznych opartych na kryształach koloidalnych.
Projekt badań opiera się na następującym obrazie fizycznym. Weźmy cząsteczkę koloidalną z grupami
jonizowalnymi na jej powierzchni i zanurzmy ją w roztworze. Nastąpi dysocjacja grup jonizowalnych, na
powierzchni cząstki koloidalnej pozostaną jony jednego znaku, a przeciw-jony zostaną uwolnione do roztworu.
W warunkach równowagi termodynamicznej rozkład przeciw-jonów podlega warunkowi na równość
potencjałów elektrostatycznych i chemicznych. Rozkład taki opisywany jest przez wiele uproszczonych teorii
(np. DLVO), które przewidują, że chmura przeciw-jonów otacza makro-jon i jego ładunek elektrostatyczny jest
częściowo ekranowany. Jeśli teraz przyłożymy do roztworu zewnętrzne pole elektryczne, to dodatkowy
potencjał elektrostatyczny zmusi wszystkie jony do przemieszczenia się do nowych pozycji lokalnej
równowagi. Ta reorganizacja nie jest natychmiastowa i w trakcie trwania systematycznej migracji jonów,
ekranowanie ładunku makro-jonu jest częściowo zniesione. Czas potrzebny na reorganizację będzie zależał od
mobilności makro- i mikro-jonów, od ich rozmiarów, od siły jonowej roztworu, a także od natężenia
przyłożonego pola elektrycznego. W ogólności, powinno być możliwe takie dobranie częstości zmiennego pola
elektrycznego, aby rozkład mikro-jonów podlegał nieustannej reorganizacji. Zjawisko takie umożliwi
modulację efektywnych oddziaływań elektrostatycznych pomiędzy makro-jonami poprzez strojenie natężenia i
częstości przyłożonego pola elektrycznego.
Demonstracja modulacji oddziaływań elektrostatycznych otworzy drogę ku dynamicznej kontroli
struktury kryształów naładowanych cząstek koloidalnych. Proponujemy wykorzystanie dynamicznej kontroli do
strojenia stałej sieci kryształów Wignera składających się z cząstek naładowanych jednoimiennie, oraz do
opracowania metod otrzymywania binarnych, jonowych kryształów koloidalnych.
Trzy dobrze sprecyzowane zadania składają się na proponowany program badawczy: i) dokładne
przebadanie zjawiska znoszenia ekranowania w ferroelektrycznym ciekłym krysztale, ii) zbadanie efektywnego
ładunku elektrostatycznego pojedynczych cząstek koloidalnych, iii) zastosowanie zdobytego zrozumienia do
kontroli wzrostu i struktury kryształów naładowanych cząstek koloidalnych.
1