Метастабильные состояния, гистерезис и медленная динамика на водном интерфейсе стекла, выявленные с помощью микроскопии генерации второй гармоники

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Интерфейсы стекло/вода лежат в основе электрокинетики, микрофлюидики и множества экспериментов в области физики и биофизики. Однако, несмотря на их повсеместное распространение, их молекулярная структура и электростатические свойства в условиях потока остаются слабо изученными. В данной работе использовалась микроскопия генерации второй гармоники в сочетании со спектроскопией комбинационного рассеяния света для прямого отслеживания динамики поверхностного потенциала водного интерфейса стекла при циклическом изменении рН. Показано возникновение гистерезиса в скорости релаксационных процессов на поверхности стекла при скачкообразных изменениях рН раствора. Эксперименты с циклическими изменениями рН показали, что интерфейс стекла может занимать множество метастабильных зарядовых состояний, при которых поверхностный потенциал постепенно изменяется от −110 мВ до −25 мВ. Такое зависящее от предыстории поведение имеет важное значение в биофизике и физике конденсированных сред, где одиночные молекулы, напоразмерные кристаллы и клетки могут подвергаться влиянию поверхностного потенциала от стеклянных подложек.

Об авторах

И. А Ковалев

Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики"; Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН

Троицкое обособленное подразделение Москва, Россия; Москва, Россия

И. Ю Еремчев

Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН

Троицкое обособленное подразделение Москва, Россия

Д. Рёзел

École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

Лозанна, Швейцария

М. Ю Еремчев

Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН

Email: maks.eremchev@gmail.com
Троицкое обособленное подразделение Москва, Россия

Список литературы

  1. J. L. Bañuelos, E. Borguet, G. E. Brown et al. (Collaboration), Chem. Rev. 123(10), 6413 (2023); https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00130.
  2. E. Barry, R. Burns, W. Chen et al. (Collaboration), Chem. Rev. 121(15), 9450 (2021); https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00069.
  3. P. Robin and L.Bocquet, J. Chem. Phys. 158(16) (2023); https://doi.org/10.1063/5.0143222.
  4. L. T. Zhuravlev, Colloids Surf. Physicochem. Eng. Asp. 173(1–3), 1 (2000); https://doi.org/10.1016/S0927-7757(00)00556-2.
  5. The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica, John Wiley & Sons (Wiley), N. Y. (1979); https://books.google.ru/books?id=DeORAQAAIAAJ.
  6. P. M. Dove and C. M. Craven, Geochim. Cosmochim. Acta 69(21), 4963 (2005); https://doi.org/10.1016/j.gca.2005.05.006.
  7. M. A. Brown, A. Beloqui Redondo, M. Sterrer, B. Winter, G. Pacchioni, Z. Abbas, J. A. van Bokhoven, Nano Lett. 13(11), 5403 (2013); https://doi.org/10.1021/nl402957y.
  8. W. J. Lambert and D. L. Middleton, Anal. Chem. 62(15), 1585 (1990); https://doi.org/10.1021/ac00214a009.
  9. G. P. Panasyuk, I. V. Kozerozhets, I. L. Voroshilov, Yu. D. Ivakin, V. I. Privalov, and M. N. Danchevskaya, Russ. J. Inorg. Chem. 66(5), 724 (2021); https://doi.org/10.1134/S0036023621050120.
  10. K. B. Eisenthal, Chem. Rev. 106(4), 1462 (2006); https://doi.org/10.1021/cr0403685.
  11. S. Ong, X. Zhao, and K. B. Eisenthal, Chem. Phys. Lett. 191(3–4), 327 (1992); https://doi.org/10.1016/0009-2614(92)85309-X.
  12. L. B. Dreier, C. Bernhard, G. Gonella, E. H. G. Backus, and M. Bonn, H. J. Phys. Chem. Lett. 9(19), 5685 (2018); https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.8b02093.
  13. G. Gonella, C.Litgebaucks, A. G. F. de Beer, and S. Roke, Phys. Chem. C 120(17), 9165 (2016); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b12453.
  14. M. Yu. Eremchev, JETP Lett. 118(4), 288 (2023); https://doi.org/10.1134/S0021364023602245.
  15. A. M. Darlington, and J. M. Gibbs-Davis, J. Phys. Chem. C 119(29), 16560 (2015); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b02480.
  16. C. Macias-Romero, I. Nahalka, H. I. Okur, and S. Roke, Science 357(6353), 784 (2017); https://doi.org/10.1126/science.aal4346.
  17. Md. S. Azam, C. N. Weeraman, and J. M. Gibbs-Davis, J. Phys. Chem. Lett. 3(10), 1269 (2012); https://doi.org/10.1021/jz300255x.
  18. Md. S. Azam, C. Cai, J. M. Gibbs, E. Tyrode, and D. K. Hore, J. Am. Chem. Soc. 142 (2), 669 (2020); https://doi.org/10.1021/jacs.9b11710.
  19. E. Ma, J. Kim, H. Chang, P. E. Ohno, R. J. Judts, T. F. Miller, and F. M. Geiger, J. Phys. Chem. C 125(32), 18002 (2021); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c04836.
  20. Y. Yu, Z. Song, B. Xu, Y. Tang, Q. Sun, and S. Zhou, Langmuir 41(23), 14719 (2025); https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5c00429.
  21. Y. Luo, A.-P. Pang, and X. Lu, Langmuir 38 (15), 4473 (2022); https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c00037.
  22. D. Lis, E. H. G. Backus, J. Hunger, S. H. Parekh, and M. Bonn, Solid. Science 344(6188), 1138 (2014); https://doi.org/10.1126/science.1253793.
  23. P. Ober, W. Q. Boon, M. Dijkstra, E. H. G. Backus, R. van Roij, and M. Bonn, Nat. Commun. 12(1), 4102 (2021); https://doi.org/10.1038/s41467-021-24270-x.
  24. C. Macias-Romero, M. E. P. Didier, P. Jourdain, P. Marquet, P. Magistretti, O. B. Tarun, V. Zubkovs, A. Radenovic, and S. Roke, for Opt. Express 22(25), 31102 (2014); https://doi.org/10.1364/OE.22.031102.
  25. D. Roesel, M. Eremchev, T. Schonfeldova, S. Lee, and S. Roke, Appl. Phys. Lett. 120(16), 160501 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0085807.
  26. O. B. Tarun, M. Yu. Eremchev, A. Radenovic, and S. Roke, Nano Lett. 19(11), 7608 (2019); https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02024.
  27. M. Eremchev, D. Roesel, C. S. Poojari, A. Roux, J. S. Hub, and S. Roke, Biophys. J. 122(4), 624 (2023); https://doi.org/10.1016/j.bpj.2023.01.018.
  28. M. Yu. Eremchev and A. V. Naumov, JETP Lett. 121(3), 225 (2025); https://doi.org/10.1134/s0021364024605098.
  29. Q. Sun, Vib. Spectrosc. 62, 110 (2012); https://doi.org/10.1016/j.vibspec.2012.05.007.
  30. A. Cimas, F. Tielens, M. Sulpizi, M.-P. Gaigeot, and D. Costa, J. Phys. Condens. Matter 26(24), 244106 (2014); https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/24/244106.
  31. L. Dalstein, E. Potapova, and E. Tyrode, Phys. Chem. Chem. Phys. 19(16), 10343 (2017); https://doi.org/10.1039/C7CP01507K.
  32. C. T. Konek, M. J. Musorrafiti, H. A. Al-Abadleh, P. A. Bertin, S. T. Nguyen, and F. M. Geiger, J. Am. Chem. Soc. 126(38), 11754 (2004); https://doi.org/10.1021/ja0474300.
  33. T. Lagstrom, T. A. Gmur, L. Quaroni, A. Goel, and M. A. Brown, Langmuir 31(12), 3621 (2015); https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b00418.
  34. J. M. Gibbs-Davis, J. J. Kruk, C. T. Konek, K. A. Scheidt, and F. M. Geiger, J. Am. Chem. Soc. 130(46), 15444 (2008); https://doi.org/10.1021/ja804302s.
  35. R. Tero, Materials 5, 2658 (2012).
  36. E. A. Dobrynina, S. V. Adichichev, and N. V. Surovtsev, Chem. and Phys. of Lipids 271, 105529 (2025).
  37. S. S. Kharintsev and E. I. Battalova, Nanophotonics 14(14), 2411 (2025).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025