Donnan的潜力终于显露出来

Donnan电势是由带电膜和液体界面处的电荷不平衡引起的，一个多世纪以来，它一直无法直接测量。许多研究人员甚至认为这样的测量是不可能的。

但那个时代，终于结束了。能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家最近使用一种通常用于探测材料化学成分的工具，首次对唐南势进行了直接测量。

伯克利实验室高级光源(ALS)的科学家伊桑·克鲁姆林(EthanCrumlin)说：“我们天真到相信我们可以做到不可能的事情，”该光源产生了实验中使用的明亮X射线。Crumlin和他的合作者最近在NatureCommunications上报告了测量结果。

这样的测量可以在许多专注于膜的领域产生新的见解。Donnan电位在通过细胞膜传输离子方面起着关键作用，例如，它与从肌肉收缩到神经信号传导的生物功能相关联。离子交换膜在储能策略和水净化技术中也很重要。

“了解Donnan潜力与许多应用相关，从能源到生物学，再到水处理，”进行测量的伯克利实验室的早期职业科学家和博士后学者PinarAydogan-Gokturk说。

Aydogan-Gokturk说，新的测量还将改进以前的唐南平衡热力学模型。这些模型长期以来一直依赖于不确定的假设和间接测量。“使用我们的方法，我们希望能够在膜界面的非理想条件下回答有关流体动力学的问题，”她说。

英国-爱尔兰化学家弗雷德里克·唐南(FrederickDonnan)在20世纪初使用刚果红溶液首次探索了这一现象，这种染料现在已知对许多生物体有毒和致癌。在1911年发表的一篇论文中，Donnan描述了用膜将两种带电溶液隔开并只允许部分离子通过的实验。他发现，当这两种溶液达到平衡时，它们也可能不均匀地将电荷分散在膜上——因此产生了电势。

唐南势在任何将具有固定离子的材料(如带电聚合物或电池膜)与电解质溶液结合在一起的系统中发挥作用。溶液中的电荷可以自由移动，有些可以进入膜中。

为了进行测量，Aydogan-Gokturk、Crumlin和他们在德克萨斯大学奥斯汀分校水和能源系统材料中心的合作者使用了一种称为“招标”环境压力X射线光电子能谱或招标APXPS的技术。

这是X射线光电子能谱(XPS)的复杂应用，它可以揭示材料表面的化学成分和鲜为人知(但同样重要)的局部电势。当X射线聚焦在材料表面时，它们会触发电子的释放，而这些电子的能级会释放出组成原子。1981年，瑞典物理学家KaiSiegbahn因使用XPS的工作而获得诺贝尔物理学奖。

XPS等表面光谱工具通常需要真空环境才能工作，但伯克利实验室的开创性工作导致在环境压力下使用XPS。大约10年前，ALS科学家进一步推动了这项技术，将环境压力XPS与更高能量的X射线相结合。这一进步使他们能够探测固液界面。

“直到最近，伯克利实验室的ALS是世界上唯一可以用固液界面做到这一点的地方，”Crumlin说。

在大流行期间，Crumlin、Aydogan-Gokturk和他们的团队收集了时间密集型光谱数据集来探测Donnan的潜力。他们将带电膜浸入盐溶液中，在界面发射X射线，并研究出现的电子。为了帮助验证实验，伯克利实验室的科学家JinQian将测得的唐南势值与模拟的热力学模型进行了比较。

通常用于探测化学成分的工具可能看起来不像是研究膜的明显工具，但Crumlin预测，在膜科学中使用tender-APXPS将继续揭示关于界面现象的新见解。

“对于这个科学领域来说，膜群落是一个全新的世界，”他说。“这项工作确实将两个世界结合在一起。”