イオン挙動が凝集に与える影響(Ion Behavior Near Interfaces Affects Aggregation)

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2025-05-20 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

イオン挙動が凝集に与える影響(Ion Behavior Near Interfaces Affects Aggregation)As the concentration of ions in a solution increases, nanoparticles are slower to aggregate, likely due to an increase in ions associated with particle surfaces. (Image by Nathan Johnson | Pacific Northwest National Laboratory)

米国パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)の研究チームは、ナノ粒子の集合挙動におけるイオンの界面近傍での振る舞いが、粒子の凝集速度に大きく影響することを明らかにしました。ブーミット(AlOOH)懸濁液を用いた実験と分子動力学シミュレーションにより、溶液中のイオン濃度が高まると、粒子間の水和反発力が増加し、凝集速度が低下することが確認されました。具体的には、イオン濃度が1モル濃度から4モル濃度に増加すると、凝集速度が15倍も遅くなる現象が観察されました。これは、従来の連続体理論では説明できない新たな発見であり、粒子表面近傍のイオンの挙動が集合体形成に重要な役割を果たしていることを示しています。この知見は、放射性廃棄物処理やナノ材料の設計など、さまざまな分野での粒子挙動の予測と制御に貢献することが期待されます。

<関連情報>

イオン相関は界面での水和力を増加させることで粒子の凝集速度を低下させる Ion Correlations Decrease Particle Aggregation Rate by Increasing Hydration Forces at Interfaces

Pravalika Butreddy,Jaeyoung Heo,Nikhil Rampal,Tingting Liu,Lili Liu,William Smith,Xin Zhang,Micah P. Prange,Benjamin A. Legg,Gregory K. Schenter,James J. De Yoreo,Jaehun Chun,Andrew G. Stack,and Elias Nakouzi
ACS Nano  Published: September 12, 2024
DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.4c05563

Abstract

The connection between solution structure, particle forces, and emergent phenomena at solid–liquid interfaces remains ambiguous. In this case study on boehmite aggregation, we established a connection between interfacial solution structure, emerging hydration forces between two approaching particles, and the resulting structure and kinetics of particle aggregation. In contrast to expectations from continuum-based theories, we observed a nonmonotonic dependence of the aggregation rate on the concentration of sodium chloride, nitrate, or nitrite, decreasing by 15-fold in 4 molal compared to 1 molal solutions. These results are accompanied by an increase in repulsive hydration forces and interfacial oscillatory features from 0.27–0.31 nm in 0.01 molal to 0.38–0.52 nm in 2 molal. Moreover, molecular dynamics (MD) simulations indicated that these changes correspond to enhanced ion correlations near the interface and produced loosely bound aggregates that retain electrolyte between the particles. We anticipate that these results will enable the prediction of particle aggregation, attachment, and assembly, with broad relevance to interfacial phenomena.

1700応用理学一般
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