直線上に配置
電荷反転現象 (Charge Inversion)

 巨視サイズのイオンが逆符号に帯電する (電荷の符号が逆転する)現象が、
ある条件が満たされた
室温の溶液中で起きます。ここで 「巨視」 とは、原子
に比べて大きいサイズと電気量をもつという意味です。 液体やプラズマの
ディバイ遮蔽理論に慣れた人は、電荷逆転:マクロイオンと周囲のイオン群この現象を
にわかには信じられないでしょう、というのは
電場がプラズマの雲により単調に遮蔽される
はずなので。

  この原因は、
静電気力の相互作用の強さに
あります。つまり、この相互作用の指標である

クーロンエネルギーが
、粒子の拡散をもたらす
熱エネルギーよりも大きく、そして同時に巨視
イオンの周囲に集まる
対イオンが多価(Ca2+や
Al3+など)であるときに、電荷逆転の現象が発
生します。これは、
ディバイ理論が成り立たない
クーロン強結合状態
で、電荷をもつ粒子間の相関 (個々の粒子が互いにどこ
にあるかを認識する)が強く効きます。このため、粒子分布がボルツマン分布
から大きく修正されています。面白いことに、正と負の電気量が等しい中性
溶液(プラズマ)でも、この相関のため、
クーロン強結合状態では引力が斥力
にまさり
構造化が起きます。実際、十分に温度を下げるとクーロン結晶
できます。


  
右上の図は、赤い球で描かれた負のマクロイオン(巨視イオン)の周囲に、
水色の3価の正イオンが
クーロン(静電気)力で多数凝縮しています。青い
のは(-1)価の共イオンで、対イオンの表面に選択的に凝縮しています。これ
は、共イオンと対イオンが引力で引き合い、共イオンはマクロイオンから斥力
を受けるからです。このため、共イオンの凝縮が起きるためには、対イオンが
多価である必要があります。

  
マクロイオンの帯電(電荷密度)が小さいDNAなどの場合は、対イオンとして
球形イオンではなく連鎖した
高分子イオンを用いると、電荷逆転が促進されます
(下図を参照)。


  
よりくわしい解説は、固体物理(2002年4月号)に掲載された解説記事を、
また電荷逆転現象の物理機構など詳細は、以下に挙げた論文とその中の
参照論文をお読みください。

参考資料:
イオン性ソフトマターの物理 「固体物理」 2002月号

Staticな環境下での電荷逆転  J.Chem.Phys. 115(2001) PDF
電場印加のもとでの電荷逆転 Euro.Phys.J., E7 (2002) PDF

電解質高分子塩と柱状マクロイオンの電荷逆転
    
Phys.Rev. E68 (2003) PDF

高分子"DNA"の電荷逆転の可能性

   
J.Physics: Condensed Matters(2004) PDF

          
          高分子対イオンを用いた効率的な電荷逆転の誘起
          (a) 3価モノマー、(b) 1価モノマーの場合

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