Il Nuovo Cimento D

, Volume 10, Issue 6, pp 627–653 | Cite as

The structure of the interface in the solvent-mediated interaction of dipolar surfaces

  • P. G. Dzhavakhidze
  • A. A. Kornyshev
  • V. G. Levadny
Article

Summary

Interaction of two dipolar surfaces separated by a polar medium is considered within the framework of nonlocal electrostatics. The dipolar-surface layers are modelled as regular lattices with fixed orientation of dipoles which are immersed into the solvent; solvent response is characterized by nonlocal dielectric function. The model is elaborated in order to reveal the role of the dipolar-layer discreteness in the electric field produced by one surface and the interaction between two surfaces (which gives rise to the so-called «hydration» or «structural» force acting between mineral surfaces and phospholipid bilayers). The discreteness effects are present only for commensurate lattices. Their special mutual arrangement then may lead to considerable reduction of structural forces,viz. the usual repulsion regime may change at short distances to attraction. Conditions are considered when repulsion is entirely replaced by attraction,i.e. the «hydration barrier» disappears. In appended note we discuss the role of solvation of surface dipolar groups. We propose an explanation of why two modes of decay (one with oscillative fine structure) may be present in the dependence of the force upon distance, if the surface dipolar groups are immersed deep enough in the solvent, and how the long-range oscillative mode disappears when the surface is but weakly solvated.

PACS 41.10.Dq

Electrostatics, magnetostatics 

PACS 46.90

Other topics in mechanics, elasticity and rheology 

Riassunto

Si considera l'interazione di due superfici dipolari separate da un mezzo polare entro l'ambito dell'elettrostatica nonlocale. Gli strati delle superfici dipolari sono modellati come reticoli regolari con un'orientamento fisso dei dipoli che sono immersi nel solvente; la risposta del solvente è caratterizzata da una funzione dielettrica non locale. Si elabora il modello per rilevare il ruolo dello strato dipolare come distinto nel campo elettrico prodotto da una superficie e all'interazione tra due superfici (il che origina la cosiddetta forza d'idratazione» o «strutturale» che agisce tra superfici minerali e bistrati di fosfolipidi). Gli effetti dell'essere distinto sono presenti solo per reticoli commensurati. Il loro speciale accordo reciproco può poi portare ad una notevole riduzione delle forze strutturali, cioè il consueto regime di repulsione può cambiare, a distanze ridotte, in quello di attrazione. Si considerano le condizioni in cui la repulsione—interamente sostituita dall'attrazione, cioè quando la «barriera d'idratazione» scompare. Nella nota d'appendice si discute il ruolo della solvatazione di gruppi dipolari di superfici. Si propone una spiegazione del perché due modi di decadimento (uno con una struttura fina oscillativa) possano essere presenti in dipendenza della forza dalla distanza, se i gruppi dipolari di superficie sono immersi abbastanza profondamente nel solvente e come il modo oscillativo a largo raggio scompare quando la superficie è sia pur debolmente solvata.

Резюме

В рамках нелокальной электростатики рассматривается взаимодействие двух биполярных поверхностей, разделенных полярной средой. Слои биполярной поверхности моделируются, как регулярные решетки с фиксированной ориентацией диполей, которые погружены в растворитель. отклик растворителя характеризуется нелокальной диэлектрической функцией. Эта модель развивается с целью, чтобы исследовать роль дискретности биполярных слоев в электрическом поле, образованном одной поверхностью, и взаимодействие между двумя поверхностями (которое приводит к так называемой «гидрации» или «структурной» силе, действующей между неорганическими поверхностями и бислоями фосфолипидов). Эффекты дискретности проявляются только для соразмерных решеток. Их взаимное расположение может приводить к значительному уменьшению структурных сил, а именно обычный режим отталкивания может измениться на малых расстояниях на притяжение. Рассматриваются условия, когда отталкивание полностью заменяется притяжением, т. е. исчезает «барьер гидрации». В заключение, мы обсуждаем роль сольватации поверхностных биполярных групп. Мы предлагаем обьяснение, почему две моды затухания (одна с осциллирующей тонкой структурой) могут появляться в зависимости силы от расстояния, если поверхностные биполярные группы погружены достаточно глубоко в растворитель, и как дальнодействующая осциллирующая мода исчезает, когда поверхность слабо сольватируется.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. (1).
    B. V. Derjaguin andM. M. Kusakov:Acta Phys. Chem. URSS,10, 153 (1939);Kolloidn. Zn.,17, 207 (1955).Google Scholar
  2. (2).
    B. V. Derjaguin andN. V. Churaev:J. Colloid Interface Sci.,49 249 (1974).CrossRefGoogle Scholar
  3. (3).
    D. M. le Neveu, R. P. Rand andV. A. Parsegian:Nature,259, 601 (1976);R. P. Rand:Ann. Rev. Biophys. Bioeng.,10, 277 (1981).CrossRefGoogle Scholar
  4. (4).
    For a review seeJ. N. Israelachvili:Chem. Scripta,25, 37 (1985).Google Scholar
  5. (5).
    B. V. Derjaguin, Ya. I. Rabinovich andN. V. Churaev:Izv. Akad. Nauk. SSSR, Ser. Khim., No. 8, 1743 (1982);B. V. Derjaguin andN. V. Churaev:J. Colloid Interface Sci.,103, 542 (1984).Google Scholar
  6. (6).
    H. K. Christenson andR. G. Horn:Chem. Scripta,25, 25 (1985).Google Scholar
  7. (7).
    R. P. Rand, S. Das andV. A. Parsegian:Chem. Scripta,25, 25 (1985), p. 15.Google Scholar
  8. (8).
    In the introduction to theProceedings of the Nobel Conference «Hydration Forces and Molecular Aspects of Solvation» (Örenäs, Sweden, 1984) B. W. Ninham gives a thorough historical and semantic account of the notion of «these hydration or structural forces (which come about because of overlap of density, polarization, orientation ... profile induced by a surface, and can be either attractive or repulsive)» inChem. Scripta,25, 3 (1985).Google Scholar
  9. (9).
    C. Tanford:The Hydrophobic Effect: Formation of Micells and Biological Membranes, 2nd Edition (John Wiley and Sons, New York, N.Y., 1980).Google Scholar
  10. (10).
    J.-Y. Huot andC. Jolicoeur:The Chemical Physics of Solvation, edited byR. R. Dogonadze, E. Kálmán, A. A. Kornyshev andJ. Ulstrup (Elsevier, Amsterdam, 1985) Chap. 11;A. Geiger:Ber. Bunsenges. Phys. Chem.,85, 52 (1981).Google Scholar
  11. (11).
    S. Marčelja:Croatica Chem. Acta,49, 347 (1977).Google Scholar
  12. (12).
    S. Marčelja, D. J. Mitchell, B. W. Ninham andM. J. Sculley:J. Chem. Soc. Faraday Trans. II,73, 630 (1977);D. Y. C. Chan, D. J. Mitchell, B. W. Ninham andB. A. Pailthorpe:Water. A Comprehensive Treatise, edited byF. Franks (Plenum Press, New York, N. Y., 1979), Chap. 5.CrossRefGoogle Scholar
  13. (13).
    S. Marčelja andN. Radić:Chem. Phys. Lett.,42, 129 (1976).CrossRefADSGoogle Scholar
  14. (14).
    R. Kjellander andS. Marčelja:Chem. Scripta,25, 73 (1985).Google Scholar
  15. (15).
    D. W. R. Gruen andS. Marčelja:J. Chem. Soc. Faraday Trans. II,79, 225 (1983).CrossRefGoogle Scholar
  16. (16).
    G. Cevc:Chem. Scripta,25, 96 (1985).Google Scholar
  17. (17).
    M. L. Belaya, M. V. Feigel'man andV. G. Levandy:Chem. Phys. Lett.,126, 361 (1986).CrossRefADSGoogle Scholar
  18. (18).
    For a recent review of nonlocal electrostatics seeA. A. Kornyshev:Nonlocal electrostatics of solvation, inThe Chemical Physics of Solvation edited byR. R. Dogonadze, E. Kálmán, A. A. Kornyshev andJ. Ulstrup (Elsevier, Amsterdam, 1985), Chap. 3.Google Scholar
  19. (19).
    A. A. Kornyshev, A. I. Rubinshtein andM. A. Vorotyntsev:J. Phys. C,11, 3307 (1978).CrossRefADSGoogle Scholar
  20. (20).
    A. A. Kornyshev:J. Electroanal. Chem.,204, 79 (1986).CrossRefGoogle Scholar
  21. (21).
    P. G. Dzhavakhidze, A. A. Kornyshev andV. G. Levadny:Phys. Lett. A,118, 203 (1986); Erratum:Phys. Lett. A, in press (1987).CrossRefADSGoogle Scholar
  22. (22).
    K. L. Kliewer andR. Fuchs:Adv. Chem. Phys.,27, 356 (1974).Google Scholar
  23. (23).
    A. M. Gabovich, L. G. Il'Chenko, E. A. Pashitskii andYu. A. Romanov:Surf. Sci.,94, 179 (1980).CrossRefADSGoogle Scholar
  24. (24).
    K. Holub andA. A. Kornyshev:J. Chem. Soc. Faraday Trans. II,76, 67 (1980).CrossRefGoogle Scholar
  25. (25).
    D. Papadjopoulos: inThe Membrane Fusion, edited byG. Poste andG. L. Nikolson (Elsevier, Amsterdam, 1978), p. 766.Google Scholar
  26. (26).
    G. Poste, R. Reeve, D. J. Alexander andG. Terry:J. Gen. Virol.,17, 133 (1972).CrossRefGoogle Scholar
  27. (27).
    N. V. Churaev:Kolloidn Zh.,156, 302 (1984).Google Scholar
  28. (28).
    R. M. Pashley:Adv. Coll. Interface Sci.,15, 57 (1982).CrossRefGoogle Scholar
  29. (29).
    R. R. Dogonadze, A. A. Kornyshev andA. M. Kuznetsov:Teor. i Mat. Fiz.,15, 127 (1973); English translation:Theor. Math. Phys.,15, 1 (1973).Google Scholar
  30. (30).
    R. R. Dogonadze andA. A. Kornyshev:J. Chem. Soc. Faraday Trans. II,70, 1121 (1974).CrossRefGoogle Scholar
  31. (31).
    A. A. Kornyshev andA. G. Volkov:J. Electroanal. Chem.,180, 363 (1984).CrossRefGoogle Scholar
  32. (32).
    G. M. Bell andP. L. Levine:J. Colloid Interf. Sci.,60, 177 (1977);74, 530 (1980).CrossRefGoogle Scholar
  33. (33).
    R. Kjellander:J. Chem. Soc. Faraday Trans. II,79, 19 (1984)R. Kjellander andS. Marčelja:Chem. Scripta,25, 112 (1985).Google Scholar
  34. (34).
    M. A. Vorotyntsev andA. A. Kornyshev:Zh. Experim. i Teor. Fiz.,78, 1008 (1980); English translation:Sov. Phys. JETP,51, 509 (1980).Google Scholar
  35. (35).
    A. A. Vedenov andE. B. Levchenko:Usp. Fiz. Nauk.,141, 3 (1983); English translation:Sov. Phys. Usp.,26, 747 (1983).Google Scholar

Copyright information

© Società Italiana di Fisica 1988

Authors and Affiliations

  • P. G. Dzhavakhidze
    • 1
  • A. A. Kornyshev
    • 2
  • V. G. Levadny
    • 3
  1. 1.Department of General and Theoretical PhysicsGeorgian Polytechnic InstituteTbilisiUSSR
  2. 2.International Centre for Theoretical PhysicsTriesteItalia
  3. 3.Institute of Cybernetics ProblemsAcademy of Sciences of the USSRMoscowUSSR

Personalised recommendations