电解质流体中电场产生的局部静压力与带电胶体粒子间的静电作用

电解质水溶液中带电的胶体粒子间的静电相互作用在控制软物质（如胶体性悬浮液、聚电解质溶液、及许多生物系统）的物理性质方面起着至关重要的作用。已建立的理论（DLVO）及现存的理论，实质上都是用离子的渗透压来获得作用在带电胶体粒子上的静电力。但是，由于电解质溶液中溶剂化的正、负离子及溶剂分子都有一定的大小，电场引起离子空间分布的同时，必然导致溶剂分子的空间分布。因此，电场在电解质流体中产生的离子的渗透压与静压力是不同的，应该用静压力而不是离子的渗透压来获得带电胶体粒子间的静电作用。本项目首次应用热力学方法，在MPB理论框架内获得一个与溶剂化的正、负离子及溶剂分子的体积大小有关的静压力，并用此静压力对带电胶体粒子间的静电作用进行了研究。初步的研究表明，此静压力理论揭示了电解质水溶液中带电胶体粒子间静电作用的规律，完善了水介质中带电胶体粒子的静电学理论，为控制软物质的行为及组装软物质奠定了理论基础。

水溶液中带电的生物大分子或胶体粒子间的静电作用是生物及众多胶体系统中最重要的相互作用之一。就我们的知识而言，在已建立的及现存的理论框架内，水分子的大小均被忽略，水仅作为一种连续的介质而存在，因而盐水溶液中，两个完全等同的带电平板间单位面积上的静电作用力等于中面上一点与体相溶液中一点间离子的压差。但是，在真实的盐水溶液中，水化了的离子及水分子都有一定的大小，在这两个表面间的离子性溶液中，离子浓度的空间分布必然引起水分子浓度的空间分布。因此，我们首次提出两个带电表面间离子性溶液中某一点与体相溶液中某一点间的压差应该等于这两点间水的分压差（以后称之为水渗透压）与离子的分压差（以后称之为离子渗透压）之和。. 本项目的主要研究内容为，考虑水化了的离子及水分子都有一定的大小，获得两个带电表面间离子性水溶液中某一点与体相溶液中某一点间的压差，并用它来计算盐水溶液中两个带电表面间的相互作用力，并以此检验在某些盐溶液中两个等同带电表面间的静电吸引（同电荷吸引）及两个带异电荷表面间的静电排斥（异电排斥）。. 根据热力学原理及以水的体积浓度表述的水的化学势，得到了水渗透压的表述。它由两部分构成，称之为理想部分及修正部分。在相对低的盐浓度下，理想部分占主导地位。理想部分显示，当两个带电表面间水的浓度小于水在体相中的浓度时，这两个表面互相吸引；反之，它们互相排斥。体积大的离子在带电表面间的聚集能导致水浓度的降低，因而大的多价反离子能“诱导”同电荷吸引；相反，体积大的离子在表面间的离散能导致水浓度的升高，因而体积大的同号离子能“诱导”异电荷排斥。在高盐浓度下，修正部分占主导，并且在大的反离子盐溶液中，它总是排斥性的。. 如同带电表面对反离子倾向性的吸引导致该离子在带电表面间的聚集一样，生物大分子（如蛋白质分子）表面对比水分子大的“渗透剂”或“拥挤剂”倾向性的吸引，也能使这些分子在生物大分子间聚集，由此产生吸引性水渗透压，从而使生物大分子保持稳定。即便在水中，亲水效应使亲水表面间水浓度较体相升高，因此，亲水表面互相排斥；而憎水效应导致憎水表面间水浓度较体相降低，因此，憎水表面互相吸引。本项目的科学意义在于，水渗透压这一概念的引入不仅揭示了“在细胞中，约2m长的DNA被压缩在10μm细胞核内”，即同电荷吸引的根源，也揭示了“拥挤剂”与“渗透剂”稳定生物系统及亲水表面排斥而憎水表面吸引的本质。