การดูดซับโพลีอิเล็กโทรไลต์บนพื้นผิวของแข็งเป็นปรากฏการณ์บนพื้นผิวที่โมเลกุลพอลิเมอร์สายยาวที่มีกลุ่มประจุ (เรียกว่าโพลีอิเล็กโทรไลต์ ) จับกับพื้นผิวที่มีประจุในขั้วตรงข้าม ในระดับโมเลกุล พอลิเมอร์ไม่ได้ยึดติดกับพื้นผิวจริง ๆ แต่มีแนวโน้มที่จะ "เกาะ" กับพื้นผิวผ่านแรงระหว่างโมเลกุลและประจุที่เกิดจากการแตกตัวของกลุ่มข้างต่าง ๆ ของพอลิเมอร์ เนื่องจากโมเลกุลของพอลิเมอร์มีความยาวมาก จึงมีพื้นที่ผิวจำนวนมากในการสัมผัสกับพื้นผิว และดังนั้นจึงไม่หลุดออกเหมือนโมเลกุลขนาดเล็ก ซึ่งหมายความว่าชั้นของโพลีอิเล็กโทรไลต์ที่ดูดซับจะก่อตัวเป็นชั้นเคลือบที่ทนทานมาก เนื่องจากคุณลักษณะที่สำคัญนี้ของชั้นโพลีอิเล็กโทรไลต์ จึงมีการนำไปใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม เช่น สารตกตะกอน สารละลาย สารดูดซับพิเศษ สารป้องกันไฟฟ้าสถิต สาร ช่วยใน การกู้คืนน้ำมัน สารช่วยในการก่อเจลในโภชนาการ สารเติมแต่งในคอนกรีต หรือเพื่อเพิ่มความเข้ากันได้กับเลือด เป็นต้น ^{[ 1 ]}

แบบจำลองพฤติกรรมการดูดซับของโพลีอิเล็กโทรไลต์ในสารละลายบนพื้นผิวของแข็งนั้นมีความเฉพาะเจาะจงอย่างมาก พฤติกรรมที่แสดงออกมาจะแตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับลักษณะและความเข้มข้นของโพลีอิเล็กโทรไลต์ความแรงของไอออนในสารละลาย ลักษณะของพื้นผิวของแข็ง และค่า pH รวมถึงปัจจัยอื่นๆ อีกหลายประการ แบบจำลองที่ซับซ้อนเหล่านี้จึงถูกปรับแต่งให้เหมาะสมกับการใช้งานเฉพาะพารามิเตอร์บางอย่าง เพื่อสร้างแบบจำลองที่แม่นยำ

อย่างไรก็ตาม ลักษณะทั่วไปของกระบวนการสามารถจำลองได้อย่างดีพอสมควรด้วยโพลีอิเล็กโทรไลต์ในสารละลาย และพื้นผิวที่มีประจุตรงข้ามซึ่งไม่มีปฏิสัมพันธ์แบบโควาเลนต์ระหว่างพื้นผิวและโซ่ แบบจำลองนี้สำหรับปริมาณโพลีอิเล็กโทรไลต์ที่ถูกดูดซับที่พื้นผิวที่มีประจุได้มาจากทฤษฎี DLVOซึ่งจำลองปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่มีประจุในสารละลาย และทฤษฎีสนามเฉลี่ยซึ่งทำให้ระบบง่ายขึ้นสำหรับการวิเคราะห์^{[ 2 ]}

โดยใช้สมการปัวซง-โบลต์ซมันน์ ที่ปรับปรุงแล้ว และสมการสนามเฉลี่ย โปรไฟล์ความเข้มข้นใกล้พื้นผิวที่มีประจุจะถูกแก้ด้วยวิธีเชิงตัวเลข ผลลัพธ์ของการแก้สมการเหล่านี้จะให้ความสัมพันธ์อย่างง่ายสำหรับปริมาณการดูดซับ Γ โดยอิงจากเศษส่วนประจุของอิเล็กโทรไลต์ ρ และความเข้มข้นของเกลือในปริมาณมาก ${\displaystyle c_{b}}$

${\displaystyle \Gamma =\int _{0}^{\infty }\!c(x)\,dx\,\approx {\frac {\left\vert y_{s}\right\vert ^{3/2}}{{\lambda _{B}}{a}{p^{1/2}}}}}$

ศักยภาพพื้นผิวที่ลดลงอยู่ ที่ไหน :${\displaystyle y_{s}}$

${\displaystyle y_{s}={\frac {{e}{\psi _{s}}}{{k_{B}}{T}}}\,}$

และความยาวของ Bjerrumคือ: ${\displaystyle \lambda _{B}}$

${\displaystyle \lambda _{B}={\frac {e^{2}}{4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}\ k_{B}T}},}$

เนื่องจากประจุมีบทบาทสำคัญในการดูดซับโพลีอิเล็กโทรไลต์ อัตราเริ่มต้นของการดูดซับโพลีอิเล็กโทรไลต์บนพื้นผิวที่มีประจุจึงมักจะรวดเร็ว โดยถูกจำกัดด้วยอัตราการขนส่งมวล (การแพร่) ไปยังพื้นผิวเท่านั้น อัตราที่สูงนี้จะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเกิดการสะสมของประจุที่พื้นผิว และแรงดึงดูดจะไม่ดึงดูดสายโซ่โพลีอิเล็กโทรไลต์เพิ่มเติมไปยังพื้นผิวอีกต่อไป การลดลงของอัตราการดูดซับนี้สามารถแก้ไขได้โดยการใช้ประโยชน์จากแนวโน้มที่จะเกิดการชดเชยประจุ มากเกินไป ^{[ 3 ]} ในกรณีของพื้นผิวของแข็งที่มีประจุลบ สายโซ่โพลีอิเล็กโทรไลต์ประจุบวกจะถูกดูดซับไปยังพื้นผิวที่มีประจุตรงข้าม ขนาดที่ใหญ่และความหนาแน่นของประจุสูงมีแนวโน้มที่จะชดเชยประจุลบเดิมของพื้นผิว ส่งผลให้เกิดประจุบวกสุทธิเนื่องจากโพลีอิเล็กโทรไลต์ประจุบวก พื้นผิวของแข็งนี้ที่มีฟิล์มโพลีอิเล็กโทรไลต์ประจุบวกและประจุบวกที่เกิดขึ้น สามารถนำไปสัมผัสกับสารละลายโพลีอิเล็กโทรไลต์ประจุลบ ซึ่งกระบวนการจะเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง สร้างฟิล์มอีกชั้นหนึ่งที่มีพื้นผิวที่มีประจุตรงข้าม จากนั้นสามารถทำซ้ำกระบวนการนี้เพื่อสร้างชั้นคู่หลายชั้นบนพื้นผิวของแข็งได้

ประสิทธิภาพของการดูดซับโพลีอิเล็กโทรไลต์ได้รับผลกระทบอย่างมากจากเนื้อหาของสารละลายและคุณภาพของตัวทำละลายที่ใช้ละลายโพลีอิเล็กโทรไลต์ กลไกหลักที่ตัวทำละลายส่งผลต่อลักษณะการดูดซับของพื้นผิว-ส่วนต่อประสานโพลีเมอร์ ได้แก่ ผลกระทบ ทางไดอิเล็กทริกของตัวทำละลาย แรงดึงดูดหรือแรงผลักเชิง สเตอริกที่เกิดจากลักษณะทางเคมีหรือชนิดของตัวทำละลาย และอุณหภูมิ แรงผลักเชิงสเตอริกขึ้นอยู่กับเอนโทรปีและเกิดจากเอนโทรปีการจัดเรียงตัว ที่ลดลง ของสายโซ่โพลีเมอร์^{[ 1 ]} เป็นเรื่องยากที่จะสร้างแบบจำลองปฏิสัมพันธ์ที่สารละลายโพลีอิเล็กโทรไลต์ใดๆ จะแสดงออกมาได้อย่างแม่นยำ เนื่องจากแรงเชิงสเตอริกขึ้นอยู่กับการรวมกันขององค์ประกอบทางเคมีของทั้งโพลีเมอร์และตัวทำละลาย รวมถึงชนิดของไอออนที่มีอยู่ในสารละลายด้วย

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างพอลิอิเล็กโทรไลต์กับตัวทำละลายมีผลอย่างมากต่อโครงสร้างของพอลิเมอร์ทั้งในสารละลายและเมื่อตกตะกอนลงบนพื้นผิว เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัว พอลิอิเล็กโทรไลต์จึงมีตัวทำละลายให้เลือกมากมายที่พอลิเมอร์แบบดั้งเดิม เช่น โพลีเอทิลีนสไตรีนและอื่นๆ ไม่สามารถละลายได้ ตัวอย่างที่ดีคือ น้ำ แม้ว่าน้ำจะเป็นตัวทำละลายที่มีขั้วสูง แต่ก็ยังสามารถละลายพอลิอิเล็กโทรไลต์ได้หลายชนิด โครงสร้างของพอลิอิเล็กโทรไลต์ในสารละลายถูกกำหนดโดยสมดุลของปฏิสัมพันธ์ (โดยปกติแล้วไม่เอื้ออำนวย) ระหว่างตัวทำละลายกับพอลิเมอร์ และแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตระหว่างหน่วยซ้ำแต่ละหน่วยของพอลิเมอร์ มีการเสนอว่าสายโซ่ของพอลิอิเล็กโทรไลต์จะก่อตัวเป็นทรงกลมทรงกระบอกยาวเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพด้านพลังงาน บางแบบจำลองไปไกลกว่านั้นและตั้งสมมติฐานว่าโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือชุดของทรงกลมทรงกระบอกที่เชื่อมต่อทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่ามากในลักษณะ "สร้อยคอ" ^{[ 4 ]}

ในตัวทำละลายที่ดี แรงไฟฟ้าสถิตระหว่างหน่วยซ้ำของพอลิเมอร์และตัวทำละลายจะอยู่ในสภาวะที่เหมาะสม แม้จะไม่เข้าใจได้ง่ายนัก แต่สิ่งนี้ทำให้พอลิเมอร์มีโครงสร้างที่อัดแน่นมากขึ้น นี่เป็นเพราะโมเลกุลของตัวทำละลายทำหน้าที่กำบังระหว่างหน่วยซ้ำที่มีประจุของพอลิอิเล็กโทรไลต์ ทำให้แรงผลักทางไฟฟ้าสถิตที่สายโซ่พอลิเมอร์ได้รับลดลง เนื่องจากโครงสร้างหลักของพอลิเมอร์ไม่ผลักกันเองอย่างรุนแรงเท่ากับในตัวทำละลายที่ไม่ดี สายโซ่พอลิเมอร์จึงมีพฤติกรรมคล้ายกับพอลิเมอร์ที่ไม่มีประจุ โดยมีโครงสร้างที่กะทัดรัด

ในตัวทำละลายที่ไม่ดี โมเลกุลของตัวทำละลายจะทำปฏิกิริยากับส่วนที่มีประจุของพอลิอิเล็กโทรไลต์ได้ไม่ดีหรือไม่เป็นไปในทางที่ไม่พึงประสงค์ ความไม่สามารถของตัวทำละลายในการป้องกันประจุระหว่างหน่วยซ้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้พอลิเมอร์มีโครงสร้างที่หลวมขึ้นเนื่องจากแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตระหว่างหน่วยซ้ำ ปฏิกิริยาเหล่านี้ทำให้พอลิเมอร์สามารถถูกเคลือบลงบนพื้นผิวได้อย่างสม่ำเสมอมากขึ้น

เมื่อสารประกอบไอออนิกละลายในตัวทำละลาย ไอออนจะทำหน้าที่บังประจุบนสายโซ่ของพอลิอิเล็กโทรไลต์ ความเข้มข้นของไอออนในสารละลายจะเป็นตัวกำหนดลักษณะการก่อตัวของชั้นของพอลิอิเล็กโทรไลต์ รวมถึงโครงสร้างที่พอลิเมอร์มีในสารละลายด้วย

ความเข้มข้นของเกลือสูงทำให้เกิดสภาวะคล้ายกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับพอลิเมอร์ในตัวทำละลายที่เหมาะสม พอลิอิเล็กโทรไลต์ถึงแม้จะมีประจุ แต่ส่วนใหญ่ยังคงเป็นสารไม่มีขั้วที่มีโครงสร้างหลักเป็นคาร์บอน ในขณะที่ประจุบนโครงสร้างหลักของพอลิเมอร์ออกแรงทางไฟฟ้าสถิตที่ผลักดันให้พอลิเมอร์อยู่ในรูปทรงที่เปิดและหลวมมากขึ้น แต่ถ้าสารละลายโดยรอบมีความเข้มข้นของเกลือสูง แรงผลักของประจุจะถูกบดบัง เมื่อประจุถูกบดบังแล้ว พอลิอิเล็กโทรไลต์จะทำตัวเหมือนพอลิเมอร์ไม่มีขั้วอื่นๆ ในสารละลายที่มีความแรงของไอออนสูง และเริ่มลดปฏิกิริยากับตัวทำละลาย ซึ่งนำไปสู่การจับตัวเป็นก้อนและหนาแน่นของพอลิเมอร์ที่ตกตะกอนบนพื้นผิวมากขึ้น

ในสารละลายที่มีความเข้มข้นของไอออนต่ำ ประจุที่อยู่บนหน่วยซ้ำของพอลิเมอร์จะเป็นแรงหลักที่ควบคุมโครงสร้าง เนื่องจากมีประจุอยู่เพียงเล็กน้อยที่จะช่วยลดแรงผลักระหว่างหน่วยซ้ำ พอลิเมอร์จึงมีโครงสร้างที่แผ่กว้างและหลวม โครงสร้างนี้ช่วยให้การเคลือบลงบนพื้นผิวมีความสม่ำเสมอมากขึ้น ซึ่งเป็นประโยชน์ในการป้องกันข้อบกพร่องบนพื้นผิวและคุณสมบัติของพื้นผิวที่ไม่สม่ำเสมอ

เนื่องจากมีโพลิเมอร์ไอออนิกหลากหลายชนิด จึงสามารถนำโพลิอิเล็กโทรไลต์ไปประยุกต์ใช้กับพื้นผิวได้หลายประเภท สามารถนำไปใช้กับพื้นผิวของแข็งในรูปแบบหลายชั้นเพื่อตอบสนองวัตถุประสงค์การออกแบบที่หลากหลาย สามารถใช้ห่อหุ้มอนุภาคของแข็งเพื่อเพิ่มเสถียรภาพของระบบคอลลอยด์ และยังสามารถประกอบกันเป็นโครงสร้างอิสระที่สามารถใช้ในการลำเลียงยาไปทั่วร่างกายมนุษย์ได้อีกด้วย

ชั้นเคลือบโพลีอิเล็กโทรไลต์หลายชั้นเป็นหัวข้อวิจัยที่น่าสนใจในอุตสาหกรรมการเคลือบโพลีเมอร์ เนื่องจากสามารถนำไปใช้ได้ในลักษณะการพ่นด้วยต้นทุนต่ำในตัวทำละลายที่เป็นน้ำ แม้ว่าโพลีเมอร์จะยึดติดกับพื้นผิวด้วยแรงไฟฟ้าสถิตเท่านั้น แต่การเคลือบหลายชั้นก็ยึดเกาะได้อย่างแข็งแรงภายใต้แรงเฉือนของของเหลว ข้อเสียของเทคโนโลยีการเคลือบนี้คือชั้นเคลือบมีลักษณะคล้ายเจล จึงอ่อนแอต่อการขัดถู

นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้โพลีอิเล็กโทรไลต์ในการเคลือบเหล็กกล้าไร้สนิมโดยใช้วิธีการเคลือบแบบชั้นต่อชั้นเพื่อยับยั้งการกัดกร่อน กลไกที่แน่นอนในการจำกัดการกัดกร่อนยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด เนื่องจากชั้นโพลีอิเล็กโทรไลต์หลายชั้นนั้นอิ่มตัวด้วยน้ำและมีลักษณะคล้ายเจล ทฤษฎีหนึ่งคือชั้นเหล่านี้ก่อตัวเป็นกำแพงที่ไอออนขนาดเล็กไม่สามารถทะลุผ่านได้ ซึ่งเป็นสาเหตุของการกัดกร่อนของเหล็ก นอกจากนี้ โมเลกุลของน้ำภายในฟิล์มหลายชั้นยังถูกกักไว้ในสถานะจำกัดโดยกลุ่มไอออนของโพลีอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งจะลดกิจกรรมทางเคมีของน้ำที่ผิวเหล็ก^{[ 10 ]}

อุปกรณ์ทางการแพทย์หลายชนิดที่สัมผัสกับของเหลวในร่างกายมีความเสี่ยงต่อการตอบสนองของร่างกายที่ไม่พึงประสงค์หรือการปฏิเสธ และส่งผลให้เครื่องมือล้มเหลว กลไกหลักของการติดเชื้อคือการก่อตัวของไบโอฟิล์มซึ่งเป็นเมทริกซ์ของแบคทีเรียที่เกาะติด ประกอบด้วยเซลล์แบคทีเรียประมาณ 15% โดยมวล และเส้นใยเอ็กโซโพลีแซคคาไรด์ที่ไม่ชอบน้ำ 85% ^{[ 11 ]} วิธีหนึ่งในการกำจัดความเสี่ยงนี้คือการใช้การรักษาเฉพาะที่ในบริเวณใกล้เคียงกับอุปกรณ์ฝังตัว ซึ่งสามารถทำได้โดยการใช้โพลีอิเล็กโทรไลต์หลายชั้นที่ชุบด้วยยาลงบนอุปกรณ์ทางการแพทย์ก่อนการฝังตัว เป้าหมายของเทคโนโลยีนี้คือการสร้างโพลีอิเล็กโทรไลต์หลายชั้นที่ผสมผสานกัน โดยชั้นหนึ่งป้องกันการก่อตัวของไบโอฟิล์ม และอีกชั้นหนึ่งปล่อยยาโมเลกุลเล็กผ่านการแพร่กระจาย ซึ่งจะมีประสิทธิภาพมากกว่าเทคนิคปัจจุบันที่ปล่อยยาในปริมาณสูงเข้าสู่ร่างกายและหวังว่ายาบางส่วนจะเคลื่อนที่ไปยังบริเวณที่ได้รับผลกระทบ ชั้นฐานสำหรับการเคลือบที่มีประสิทธิภาพสำหรับรากฟันเทียมคือ DMLPEI/PAA หรือ N, N-dodecyl,methyl-poly(ethyleneimine) เชิงเส้น / กรดโพลี (อะคริลิก) ^{[ 7 ]}

อีกหนึ่งการประยุกต์ใช้ที่สำคัญของการดูดซับโพลีอิเล็กโทรไลต์คือการทำให้เสถียร (หรือทำให้ไม่เสถียร) ของสารแขวนลอยคอลลอยด์ของแข็งหรือโซล อนุภาคในสารละลายมีแนวโน้มที่จะมีแรงดึงดูดคล้ายกับแรงแวนเดอร์วาลส์ซึ่งจำลองโดยทฤษฎีของฮามาเกอร์แรงเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะทำให้อนุภาคคอลลอยด์รวมตัวหรือจับตัวเป็นก้อนผลกระทบดึงดูดของฮามาเกอร์จะสมดุลกับผลกระทบผลักกันหนึ่งหรือสองอย่างของคอลลอยด์ในสารละลาย อย่างแรกคือการทำให้เสถียรด้วยไฟฟ้าสถิต ซึ่งประจุที่เหมือนกันของอนุภาคจะผลักกัน ผลกระทบนี้เกิดจากศักย์ซีตาที่มีอยู่เนื่องจากประจุบนพื้นผิวของอนุภาคในสารละลาย^{[ 12 ]} อย่างที่สองคือการทำให้เสถียรด้วยสเตอริก เนื่องมาจากผลกระทบสเตอริกการดึงอนุภาคเข้าด้วยกันด้วยโซ่พอลิเมอร์ที่ดูดซับจะลดเอนโทรปีเชิงโครงสร้างของโซ่พอลิเมอร์ที่พื้นผิวลงอย่างมาก ซึ่งไม่เอื้ออำนวยทางอุณหพลศาสตร์ ทำให้การจับตัวเป็นก้อนและการจับกลุ่มทำได้ยากขึ้น

การดูดซับของโพลีอิเล็กโทรไลต์สามารถนำมาใช้เพื่อทำให้สารแขวนลอยมีความเสถียร เช่น ในกรณีของสีย้อมและสีทา นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อทำให้สารแขวนลอยไม่เสถียรได้ด้วยการดูดซับสายโซ่ที่มีประจุตรงข้ามเข้ากับพื้นผิวของอนุภาค ทำให้ศักย์ซีตาเป็นกลาง และทำให้เกิดการตกตะกอนหรือการจับตัวเป็นก้อนของสารปนเปื้อน วิธีการนี้ถูกนำมาใช้อย่างมากในการบำบัดน้ำเสียเพื่อบังคับให้สารแขวนลอยของสารปนเปื้อนตกตะกอน ทำให้สามารถกรองได้ มีสารตกตะกอนทางอุตสาหกรรมหลายชนิดที่เป็นทั้งประจุบวกและประจุลบเพื่อกำหนดเป้าหมายไปยังสารชนิดต่างๆ

การประยุกต์ใช้ความเสถียรที่เพิ่มขึ้นจากชั้นโพลีอิเล็กโทรไลต์หลายชั้นที่มอบให้กับคอลลอยด์ คือการสร้างชั้นเคลือบแข็งสำหรับแกนกลางที่เป็นของเหลว โดยทั่วไปแล้วชั้นโพลีอิเล็กโทรไลต์จะถูกดูดซับบนพื้นผิวของแข็ง แต่ก็อาจถูกดูดซับบนพื้นผิวของเหลว เช่น อิมัลชันน้ำมันในน้ำ หรือคอลลอยด์ กระบวนการนี้มีศักยภาพสูง แต่ก็เต็มไปด้วยความยากลำบาก เนื่องจากคอลลอยด์โดยทั่วไปมีความเสถียรโดยสารลดแรงตึงผิวและมักเป็นสารลดแรงตึงผิวแบบไอออนิก การดูดซับของชั้นหลายชั้นที่มีประจุคล้ายกับสารลดแรงตึงผิวจึงก่อให้เกิดปัญหาเนื่องจากการผลักกันทางไฟฟ้าสถิตระหว่างโพลีอิเล็กโทรไลต์และสารลดแรงตึงผิว ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการใช้สารลดแรงตึงผิวที่ไม่ใช่ไอออนิก อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการละลายของสารลดแรงตึงผิวที่ไม่ใช่ไอออนิกเหล่านี้ในน้ำจะลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับสารลดแรงตึงผิวแบบไอออนิก

เมื่อสร้างแกนเหล่านี้แล้ว สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้หลายอย่าง เช่นการนำส่งยาและไมโครรีแอคเตอร์สำหรับการนำส่งยา เปลือกโพลีอิเล็กโทรไลต์จะสลายตัวหลังจากช่วงเวลาหนึ่ง ปล่อยยาออกมาและช่วยให้ยาเคลื่อนที่ผ่านทางเดินอาหาร ซึ่งเป็นหนึ่งในอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดต่อประสิทธิภาพของการนำส่งยา