Обзор прямого измерения потенциала Доннана с использованием тендерного APXPS.
а Схема экспериментальной установки во время сбора данных с мембраны CR-61, уравновешенной водным раствором соли.
b Равновесное распределение ионов между мембраной, находящейся в контакте с раствором одновалентного электролита. В равновесии для электронейтральности требуется эквивалентное количество противоионов (которое для одновалентной системы равно фиксированной концентрации заряда), чтобы уравновесить группы с фиксированным зарядом. Коионы, сорбирующиеся в мембране, сопровождаются эквивалентным количеством противоионов, что приводит к значительно более высоким концентрациям противоионов, чем коионов в мембране.
c Иллюстрация падения потенциала на границе раздела мембрана/раствор.
d Соответствующая энергия связи (BE) сдвигается на связанных с мембраной основных уровнях.
e Соотношение между измеренным BE уровней ядра, связанных с мембраной, и потенциалом Доннана в зависимости от концентрации внешнего раствора.
Предоставлено: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33592-3

«Мы были достаточно наивны, чтобы верить, что можем сделать невозможное», — сказал Итан Крамлин, научный сотрудник лаборатории усовершенствованного источника света (ALS) в Беркли, которая генерировала яркие рентгеновские лучи, использованные в эксперименте. Крамлин и его сотрудники недавно сообщили об измерении в Nature Communications.

Такое измерение может дать новое понимание во многих областях, связанных с мембранами. Например, потенциал Доннана играет решающую роль в транспорте ионов через клеточную мембрану, что связывает его с биологическими функциями, начиная от мышечных сокращений и заканчивая передачей нервных сигналов. Ионообменные мембраны также важны в стратегиях хранения энергии и технологиях очистки воды.

«Знание потенциала Доннана имеет отношение ко многим приложениям, от энергетики до биологии и очистки воды », — сказал Пинар Айдоган-Гоктюрк, начинающий ученый и доктор наук в лаборатории Беркли, который проводил измерения.

Айдоган-Гоктюрк сказал, что новое измерение также улучшит предыдущие термодинамические модели равновесия Доннана. Эти модели долгое время основывались на неопределенных предположениях и косвенных измерениях. «Используя наш метод, мы надеемся ответить на вопросы о динамике жидкости в неидеальных условиях на границе раздела мембран», — сказала она.

Фредерик Доннан, британско-ирландский химик, впервые исследовал это явление в начале 20-го века, используя раствор конго красного, красителя, который, как теперь известно, токсичен и канцерогенен для многих организмов. В статье, опубликованной в 1911 году, Доннан описал эксперименты, в которых мембрана разделяла два заряженных раствора и пропускала только некоторые ионы. Он обнаружил, что когда два раствора достигают равновесия, они также могут неравномерно рассеивать заряды по мембране и, следовательно, создавать электрический потенциал.

Предоставлено: Мэрилин Сарджент/Лаборатория Беркли.

Потенциал Доннана играет роль в любой системе, объединяющей материал с фиксированными ионами, такой как заряженный полимер или мембрана клетки, и раствор электролита. Заряды в растворе могут свободно перемещаться, и некоторые из них могут проходить через мембрану.

Чтобы провести измерение, Айдоган-Гоктюрк, Крамлин и их сотрудники из Техасского университета в Центре материалов для водных и энергетических систем Остина использовали метод, называемый «тендерной» рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией при атмосферном давлении или тендер-APXPS.

Это сложное применение рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, или XPS, которое может выявить химический состав и менее известные (но не менее важные) локальные потенциалы поверхности материала. Когда рентгеновские лучи фокусируются на поверхности материалов, они вызывают высвобождение электронов, и энергетические уровни этих электронов отдают составляющие атомы. В 1981 году шведский физик Кай Зигбан получил Нобелевскую премию по физике за работу по использованию XPS.

Инструменты спектроскопии поверхности, такие как XPS, обычно требуют для работы вакуумной среды, но новаторская работа в лаборатории Беркли привела к использованию XPS при атмосферном давлении. Около 10 лет назад ученые ALS продвинули технологию дальше, объединив XPS с атмосферным давлением и рентгеновское излучение более высокой энергии. Это достижение позволило им исследовать границы твердого и жидкого состояния.

«До недавнего времени лаборатория Berkeley Lab ALS была единственным местом в мире, где можно было сделать это с помощью твердого и жидкого интерфейса», — сказал Крамлин.

Во время пандемии Крамлин, Айдоган-Гоктюрк и их команда собирали наборы спектроскопических данных, требующих много времени, чтобы исследовать потенциал Доннана. Они погружали заряженную мембрану в раствор соли, направляли рентгеновские лучи на границу раздела и изучали возникающие электроны. Чтобы подтвердить эксперименты, научный сотрудник лаборатории Беркли Джин Цянь сравнил измеренные значения потенциала Доннана с смоделированными термодинамическими моделями.

Инструмент, который обычно используется для исследования химического состава, может показаться не совсем очевидным инструментом для изучения мембран, но Крамлин предсказал, что использование тендерного APXPS в науке о мембранах будет продолжать открывать новое понимание межфазных явлений.

« Мембранное сообщество — это совершенно новый мир в этом пространстве науки», — сказал он. «Эта работа действительно объединяет два мира вместе».