Donnans Potenzial, endlich enthüllt

Das elektrische Potential von Donnan entsteht aus einem Ladungsungleichgewicht an der Grenzfläche einer geladenen Membran und einer Flüssigkeit und hat sich seit über einem Jahrhundert hartnäckig der direkten Messung entzogen. Viele Forscher haben eine solche Messung sogar als unmöglich bezeichnet.

Aber diese Zeiten sind endgültig vorbei. Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums führten kürzlich die erste direkte Messung des Potenzials von Donnan durch, indem sie ein Werkzeug verwendeten, das herkömmlicherweise zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Materialien verwendet wird.

“Wir waren naiv genug zu glauben, dass wir das Unmögliche schaffen könnten”, sagte Ethan Crumlin, ein Wissenschaftler der Advanced Light Source (ALS) von Berkeley Lab, die die hellen Röntgenstrahlen erzeugte, die im Experiment verwendet wurden. Crumlin und Mitarbeiter berichteten kürzlich über die Messung in Kommunikationsnatur.

Eine solche Messung könnte neue Erkenntnisse in vielen Bereichen bringen, die sich auf Membranen konzentrieren. Das Donnan-Potential spielt beispielsweise eine entscheidende Rolle beim Transport von Ionen durch eine Zellmembran, die es mit biologischen Funktionen verbindet, die von Muskelkontraktionen bis hin zu neuralen Signalen reichen. Ionenaustauschmembranen sind auch in Energiespeicherstrategien und Wasserreinigungstechnologien wichtig.

„Das Wissen um das Potenzial von Donnan ist für viele Anwendungen relevant, von Energie bis Biologie, Wasserversorgung“, sagte Pinar Aydogan-Gokturk, eine Nachwuchswissenschaftlerin und Postdoktorandin am Berkeley Lab, die die Messungen durchgeführt hat.

Aydogan-Gokturk sagte, die neue Messung werde auch frühere thermodynamische Modelle des Donnan-Gleichgewichts verbessern. Diese Modelle basieren seit langem auf unsicheren Annahmen und indirekten Messungen. „Mit unserer Methode hoffen wir, Fragen zur Fluiddynamik unter nicht idealen Bedingungen an Membrangrenzflächen beantworten zu können“, sagte sie.

Frederick Donnan, ein anglo-irischer Chemiker, untersuchte das Phänomen erstmals im frühen 20. Jahrhundert mit einer Lösung aus Kongorot, einem Farbstoff, der heute als giftig und krebserregend für viele Organismen bekannt ist. In einem 1911 veröffentlichten Artikel beschreibt Donnan Experimente, bei denen eine Membran zwei geladene Lösungen trennt und nur wenige Ionen passieren lässt. Wenn die beiden Lösungen ein Gleichgewicht erreichen, fand er heraus, können sie auch Ladungen ungleichmäßig über die Membran streuen – und daher ein elektrisches Potential erzeugen.

Das Donnan-Potential spielt in jedem System eine Rolle, das ein Material mit fixierten Ionen, wie etwa ein geladenes Polymer oder die Membran einer Zelle, und eine Elektrolytlösung kombiniert. Die Ladungen der Lösung können sich frei bewegen und einige können die Membran passieren.

Um die Messung durchzuführen, verwendeten Aydogan-Gokturk, Crumlin und ihre Mitarbeiter an der University of Texas am Center for Materials for Water and Energy Systems in Austin eine Technik namens “tender” Umgebungsdruck-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie oder Tender-APXPS.

Es handelt sich um eine ausgeklügelte Anwendung der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), die den weniger bekannten (aber ebenso wichtigen) chemischen Aufbau und die lokalen Potentiale einer Materialoberfläche aufzeigen kann. Wenn Röntgenstrahlen auf die Oberfläche von Materialien fokussiert werden, lösen sie die Freisetzung von Elektronen aus, und die Energieniveaus dieser Elektronen setzen die konstituierenden Atome frei. 1981 erhielt der schwedische Physiker Kai Siegbahn den Nobelpreis für Physik für seine Arbeit mit XPS.

Oberflächenspektroskopische Werkzeuge wie XPS erfordern normalerweise Vakuumumgebungen für den Betrieb, aber die Pionierarbeit im Berkeley Lab führte zur Verwendung von XPS bei Umgebungsdruck. Vor etwa 10 Jahren gingen ALS-Wissenschaftler mit der Technologie einen Schritt weiter und kombinierten Raumdruck-XPS mit energiereicheren Röntgenstrahlen. Dieser Fortschritt ermöglichte es ihnen, Fest-Flüssig-Grenzflächen zu untersuchen.

„Bis vor kurzem war das ALS von Berkeley Lab der einzige Ort auf der Welt, an dem dies mit einer Fest-Flüssig-Grenzfläche möglich war“, sagte Crumlin.

Während der Pandemie sammelten Crumlin, Aydogan-Gokturk und ihr Team zeitaufwändige spektroskopische Datensätze, um das Potenzial von Donnan zu untersuchen. Sie tauchten eine geladene Membran in eine Salzlösung, schossen Röntgenstrahlen auf die Grenzfläche und untersuchten die aus ihr austretenden Elektronen. Um die Experimente zu validieren, verglich der Berkeley-Laborwissenschaftler Jin Qian gemessene Werte des Donnan-Potentials mit simulierten thermodynamischen Modellen.

Ein Werkzeug, das im Allgemeinen zum Sondieren verwendet wird chemische Zusammensetzung mag nicht wie ein offensichtliches Instrument zur Untersuchung von Membranen erscheinen, aber Crumlin sagte voraus, dass die Verwendung des weichen APXPS in der Membranwissenschaft weiterhin neue Einblicke in Grenzflächenphänomene liefern wird.

“Das Membran Die Gemeinschaft ist eine ganz neue Welt in diesem wissenschaftlichen Raum“, sagte er. „Diese Arbeit verbindet wirklich zwei Welten miteinander.