Dielectric Mismatch Effects on Polyelectrolyte Solutions in Electrified Nanopores: Insights from Mean-Field Theory

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

We utilize the self-consistent field theory to explore the mechanical and electrical properties of charged surfaces immersed in polyelectrolyte solutions that could be potentially useful for electrochemical applications. Our research focuses on how the dielectric heterogeneity of the solution could affect the disjoining pressure and differential capacitance of the electric double layer. Relying on the developed theoretical framework, based on the Noether’s theorem, we calculate the stress tensor, containing the term, arising from the conformational entropy of the polymer chains. With its help we compute the disjoining pressure in polyelectrolyte solution confined between two parallel charged surfaces and analyze its behavior as a function of separation between the surfaces for different values of dielectric mismatch parameter. We also calculate the differential capacitance of the electric double layer and discuss how dielectric heterogeneity of the polyelectrolyte solution influences its values.

About the authors

Yu. A. Budkov

Laboratory of Computational Physics, HSE University; .A. Krestov Institute of Solution Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ybudkov@hse.ru
123458, Moscow, Russia; 153045, Ivanovo, Russia

N. N. Kalikin

Laboratory of Computational Physics, HSE University; .A. Krestov Institute of Solution Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ybudkov@hse.ru
123458, Moscow, Russia; 153045, Ivanovo, Russia

References

  1. Dobrynin A.V., Rubinstein M. // Progr. Polym. Sci. 2005. V. 30. № 11. P. 1049.
  2. Netz R.R., Andelman D. // Phys. Rep. 2003. V. 380. № 1–2. P. 1.
  3. Nishimura N., Ohno H. // Polymer. 2014. V. 55. № 16. P. 3289.
  4. Kornyshev A.A. // J. Phys. Chem. B. 2007. V. 111. № 20. P. 5545.
  5. Fedorov M.V., Kornyshev A.A. // Am. Chem. Soc. 2014. Text : electronic.
  6. Budkov Y.A., Kalikin N.N., Kolesnikov A.L. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2022. V. 24. № 3. P. 1355.
  7. Kalikin N.N., Kolesnikov A.L., Budkov Y.A. // Curr. Opinion Electrochem. 2022. V. 36. P. 101134.
  8. Kolesnikov A.L., Mazur D.A., Budkov Y.A. // Epl. 2022. V. 140. № 1.
  9. Kolesnikov A.L., Budkov Y.A., Gor G.Y. // J. Phys. Condens. Matter. 2022. V. 34. № 6. P. 63002.
  10. Asnacios A., Espert A., Colin A., Langevin D. // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 78. № 26. P. 4974.
  11. Salmi J., Osterberg M., Stenius P., Laine J. // Nordic Pulp Paper Res. J. 2007. V. 22. № 2. P. 249.
  12. Yethiraj A. // J. Chem. Phys. 1999. V. 111. № 5. P. 1797.
  13. Tadmor R., Hern’andez-Zapata E., Chen N., Pincus P., Israelachvili J.N. // Macromolecules. 2002. V. 35. № 6. P. 2380.
  14. Turesson M., Woodward C.E., Åkesson T., Forsman J. // J. Phys. Chem. B. 2008. V. 112. № 16. P. 5116.
  15. Åkesson T., Woodward C., Jönsson B. // J. Chem. Phys. 1989. V. 91. № 4. P. 2461.
  16. Podgornik R. // Chem. Phys. Lett. 1990. V. 174. № 2. P. 191.
  17. Budkov Y.A., Kalikin N.N. // Phys. Rev. E. 2023. V. 107. № 2. P. 24503.
  18. Khokhlov A.R., Kramarenko E.Y. // Macromol. Theor. Simul. 1994. V. 3. № 1. P. 45.
  19. Khokhlov A.R., Kramarenko E.Y. // Macromolecules. 1996. V. 29. № 2. P. 681.
  20. Kramarenko E.Y., Khokhlov A.R., Yoshikawa K. // Macromol. Theor. Simul. 2000. V. 9. № 5. P. 249.
  21. Kramarenko E.Y., Erukhimovich I.Y., Khokhlov A.R. // Macromol. Theor. Simul. 2002. V. 11. № 5. P. 462.
  22. Budkov Y.A., Kalikin N.N., Kolesnikov A.L. // Eur. Phys. J. E. 2017. V. 40. № 4.
  23. Borukhov I., Andelman D., Orland H. // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 79. № 3. P. 435.
  24. Maggs A.C., Podgornik R. // Soft Matter. 2016. V. 12. № 4. P. 1219.
  25. Lifshitz I. // Soviet J. Experim. Theor. Phys. 1969. V. 28. № 6. P. 1280.
  26. Grosberg A.Y., Khokhlov A.R. // Stat. Phys. Macromol., Am. Inst of Physics, 1994.
  27. Borue V.Y., Erukhimovich I.Y. // Macromolecules. 1990. V. 23. № 15. P. 3625.
  28. Landau L.D., Lifshitz E.M. Statistical Physics. Oxford: Elsevier, 2013. V. 5.
  29. Hatlo M.M., Van Roij R., Lue L. // Epl. 2012. V. 97. № 2. P. 28010.
  30. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред М.: Физматлит, 2005.
  31. Budkov Y.A., Kolesnikov A.L., Goodwin Z.A., Kiselev M.G., Kornyshev A.A. // Electrochim. Acta. 2018. V. 284. P. 346.
  32. Budkov Y.A., Kolesnikov A.L. // J. Stat. Mech.: Theory and Experiment. 2022. V. 2022. № 5. P. 53205.
  33. Brandyshev P.E., Budkov Y.A. // J. Chem. Phys. 2023. V. 158. № 17. P. 174114.
  34. Derjaguin B.V., Churaev N.V., Muller V.M. // Surf. Forces. 1987. P. 293.
  35. Budkov Y.A., Kolesnikov A.L. // Curr. Opin. Electrochem. 2022. V. 33. P. 100931.
  36. Podgornik R., Jönsson B. // Europhys. Lett. 1993. V. 24. № 6. P. 501.
  37. Podgornik R., Åkesson T., Jönsson B. // J. Chem. Phys. 1995. V. 102. № 23. P. 9423.
  38. Podgornik R., Livcer M. // Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2006. V. 11. № 5. P. 273.
  39. Budkov Y.A., Kolesnikov A.L., Kiselev M.G. // Europhys. Lett. 2015. V. 111. № 2. P. 28002.
  40. Budkov Y.A., Kolesnikov A.L., Kiselev M.G. // J. Chem. Phys. 2016. V. 144. № 18. P. 184703.
  41. Budkov Y.A., Sergeev A.V., Zavarzin S.V., Kolesnikov A.L. // J. Phys. Chem. C. 2020. V. 124. № 30. P. 16308.
  42. Budkov Y.A., Zavarzin S.V., Kolesnikov A.L. // J. Phys. Chem. C. 2021. V. 125. № 38. P. 21151.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (322KB)
Indexing metadata
3.

Download (256KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Ю.А. Будков, Н.Н. Каликин

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».