ในวิทยาศาสตร์พื้นผิวชั้นคู่ ( DLหรือเรียกอีกอย่างว่าชั้นคู่ไฟฟ้า EDL ) คือโครงสร้างที่ปรากฏบนพื้นผิวของวัตถุเมื่อสัมผัสกับของเหลววัตถุนั้นอาจเป็นอนุภาคของแข็งฟองก๊าซหยดของเหลวหรือวัสดุที่มีรูพรุนชั้นคู่หมายถึงชั้นประจุ คู่ขนานสองชั้น ที่ล้อมรอบวัตถุ ชั้นแรกคือประจุบนพื้นผิว (ทั้งบวกและลบ) ประกอบด้วยไอออนที่ถูกดูดซับบนวัตถุเนื่องจากปฏิกิริยาทางเคมีชั้นที่สองประกอบด้วยไอออนที่ถูกดึงดูดไปยังประจุบนพื้นผิวด้วยแรงคูลอมบ์ ซึ่ง ทำหน้าที่กำบังทางไฟฟ้าจากชั้นแรก ชั้นที่สองนี้มีความสัมพันธ์กับวัตถุอย่างหลวมๆ มันประกอบด้วยไอออนอิสระที่เคลื่อนที่ในของเหลวภายใต้แรงดึงดูดทางไฟฟ้าและการเคลื่อนที่ทางความร้อนแทนที่จะยึดติดแน่น จึงเรียกว่า "ชั้นกระจาย"

ระดับปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้น ผิว (Interfacial DLs) จะเห็นได้ชัดเจนที่สุดในระบบที่มีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตร สูง เช่นคอลลอยด์หรือวัสดุพรุนที่มีอนุภาคหรือรูพรุน (ตามลำดับ) ในระดับไมโครเมตรถึงนาโนเมตรอย่างไรก็ตาม ระดับปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวมีความสำคัญต่อปรากฏการณ์อื่นๆ เช่น พฤติกรรม ทางเคมีไฟฟ้าของอิเล็กโทรด

DL มีบทบาทสำคัญในสารต่างๆ ในชีวิตประจำวันมากมาย ตัวอย่างเช่นนมโฮโมจีไนซ์เกิดขึ้นได้ก็เพราะ หยด ไขมันถูกปกคลุมด้วย DL ที่ป้องกันไม่ให้ หยดไขมันจับตัวเป็น ก้อนกลายเป็นเนย DL พบได้ในระบบของเหลวที่ ไม่เป็นเนื้อเดียวกันเกือบทั้งหมดเช่น เลือด สี หมึก และสารละลาย เซรามิกและ ซีเมนต์

DL มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับปรากฏการณ์อิเล็กโทรไคเนติกและปรากฏการณ์อิเล็กโทรอะคูสติก ^{[ 1 ]}

เมื่อ ตัวนำ ไฟฟ้าสัมผัสกับ ตัวนำ ไอออนิกที่ เป็นของแข็งหรือของเหลว (อิเล็กโทรไลต์) จะเกิดขอบเขตทั่วไป ( ส่วนต่อประสาน ) ระหว่างสองเฟส ขึ้น เฮอร์มันน์ ฟอน เฮล์มโฮลทซ์^{[ 2 ]}เป็นคนแรกที่ตระหนักว่า อิเล็กโทรด ที่มีประจุซึ่งจุ่มอยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์จะผลักไอออนร่วมที่มีประจุออกไปในขณะที่ดึงดูดไอออนตรงข้ามเข้ามาที่พื้นผิวของอิเล็กโทรด ชั้นที่มีขั้ว ตรงข้ามสองชั้น จะก่อตัวขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ ในปี ค.ศ. 1853 เขาแสดงให้เห็นว่าชั้นไฟฟ้าคู่ (DL) นั้นโดยพื้นฐานแล้วเป็น ไดอิ เล็กทริกโมเลกุลและเก็บประจุไว้ด้วยไฟฟ้าสถิต^{[ 3 ]}ต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าที่อิเล็กโทรไลต์สลายตัว ประจุที่เก็บไว้จะขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้แบบเชิงเส้น

แบบจำลองในยุคแรกนี้ทำนายค่าความจุเชิงอนุพันธ์ คงที่โดย ไม่ขึ้นกับความหนาแน่นของประจุ โดยขึ้นอยู่กับค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวทำละลาย อิเล็กโทรไลต์ และความหนาของชั้นคู่^{[ 4 ] [ 5 ]}

แบบจำลองนี้ แม้จะเป็นพื้นฐานที่ดีสำหรับการอธิบายส่วนต่อประสาน แต่ก็ไม่ได้พิจารณาปัจจัยสำคัญหลายประการ เช่น การแพร่/การผสมของไอออนในสารละลาย ความเป็นไปได้ของการดูดซับบนพื้นผิว และปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเมนต์ไดโพล ของตัวทำละลาย กับอิเล็กโทรด

Louis Georges Gouyในปี 1910 และDavid Leonard Chapmanในปี 1913 ต่างสังเกตว่าค่าความจุไม่ใช่ค่าคงที่และขึ้นอยู่กับศักย์ไฟฟ้าที่ใช้และความเข้มข้นของไอออน "แบบจำลอง Gouy–Chapman" ได้ปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญโดยการนำเสนอ แบบ จำลองแบบกระจายของ DL ในแบบจำลองนี้ การกระจายประจุของไอออนเป็นฟังก์ชันของระยะทางจากพื้นผิวโลหะทำให้สามารถใช้สถิติ Maxwell–Boltzmann ได้ ดังนั้น ศักย์ไฟฟ้าจึงลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียลเมื่อห่างจากพื้นผิวของของเหลว^{[ 4 ] [ 6 ]}

ชั้น Gouy-Chapman อาจมีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษในชีวไฟฟ้าเคมี การสังเกต การถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างโปรตีนระยะไกลผ่านสารละลายในน้ำ^{[ 7 ]}ได้รับการอธิบายว่าเป็นบริเวณที่กระจายตัวระหว่างโปรตีนคู่รีดอกซ์ ( ไซโตโครมcและc ₁ ) ซึ่งมีแคตไอออนน้อยกว่าเมื่อเทียบกับสารละลายส่วนใหญ่ ส่งผลให้การคัด กรองลดลง สนามไฟฟ้าแผ่ขยายออกไปหลายนาโนเมตร และกระแสไฟฟ้าลดลงแบบกึ่งเอกซ์โพเนนเชียลตามระยะทางในอัตรา ~1 nm ⁻¹บริเวณนี้เรียกว่า "ท่อ Gouy-Chapman" ^{[ 7 ]}และถูกควบคุมอย่างเข้มงวดโดยการฟอสโฟรีเลชันซึ่งเพิ่มประจุลบหนึ่งตัวให้กับพื้นผิวโปรตีนที่ขัดขวางการลดลงของแคตไอออนและป้องกันการขนส่งประจุระยะไกล^{[ 8 ]}สังเกตเห็นผลกระทบที่คล้ายกันที่ไซต์รีดอกซ์แอคทีฟของคอมเพล็กซ์การสังเคราะห์แสง^{[ 9 ]}

แบบจำลอง Gouy-Chapman ล้มเหลวสำหรับชั้นคู่ที่มีประจุสูง เนื่องจากทำนายความหนาแน่นของไอออนที่สูงเกินจริง สำหรับความแตกต่างของศักยภาพขนาดใหญ่ เช่น ที่เกิดขึ้นที่อิเล็กโทรดโพลาไรซ์ในอุดมคติ แบบจำลองนี้ทำนายค่าความจุที่เพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โปเนนเชียลตามแรงดันไบแอสอย่างไม่สมจริงจนถึงค่าสุดขั้ว^{[ 10 ]}

ในปี พ.ศ. 2467 ออตโต สเติร์นเสนอให้รวมแบบจำลองของเฮล์มโฮลทซ์เข้ากับแบบจำลองของกูย-แชปแมน: ในแบบจำลองของสเติร์น ไอออนบางส่วนยึดติดกับอิเล็กโทรดตามที่เฮล์มโฮลทซ์แนะนำ ทำให้เกิดชั้นสเติร์นภายใน ในขณะที่บางส่วนก่อตัวเป็นชั้นกระจายของกูย-แชปแมน^{[ 11 ]}

ชั้น Stern คำนึงถึงขนาดที่จำกัดของไอออน และด้วยเหตุนี้ ไอออนจึงเข้าใกล้ขั้วไฟฟ้าได้มากที่สุด โดยมีขนาดใกล้เคียงกับรัศมีไอออน โมเดล Stern มีข้อจำกัดของตัวเอง กล่าวคือ โมเดลนี้ถือว่าไอออนเป็นประจุจุด ถือว่าปฏิสัมพันธ์ที่สำคัญทั้งหมดในชั้นกระจายตัวเป็นแบบคูลอมบ์ถือว่าค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าคงที่ตลอดทั้งชั้นคู่ และถือว่าความหนืดของของเหลวคงที่^{[ 12 ]}

ในปี พ.ศ. 2485 Bikerman ^{[ 13 ]}ได้นำเสนอแนวทางทางเลือกอีกทางหนึ่ง คือการรวมความหนาแน่นสูงสุดไว้ในสมมติฐานทางเทอร์โมไดนามิกแบบต่อเนื่อง ซึ่งรวมถึงเทอมเอนโทรปีจากการแออัด ( สเตอริก ) แทนที่จะใช้เอนโทรปีของก๊าซอุดมคติเพียงอย่างเดียว ด้วยวิธีนี้ ความหนาแน่นของไอออนในฐานะแบบต่อเนื่องจะถูกจำกัดโดยธรรมชาติ และโดยทั่วไปแล้วความจุเชิงอนุพันธ์จะไม่ถึงจุดอิ่มตัวที่ระดับคงที่ (เช่นเดียวกับ Stern–Gouy–Chapman) แต่จะมี 'ส่วนโค้ง' หลังจากนั้นจะลดลง ${\displaystyle 1/{\sqrt {V_{\mathrm {อคติ} }}}}$

มีแบบจำลองประเภท Bikerman หลายประเภทที่เหนี่ยวนำให้เกิดความหนาแน่นสูงสุดในรูปแบบที่แตกต่างกัน (แต่คล้ายกัน) เช่นก๊าซแบบตาข่ายหรือ แบบ จำลองทรงกลมแข็ง^{[ 14 ]}

DC Grahame ได้ปรับปรุงแบบจำลอง Stern ในปี พ.ศ. 2490 ^{[ 15 ]}เขาเสนอว่าไอออนหรือสปีชีส์ที่ไม่มีประจุบางชนิดสามารถแทรกซึมผ่านชั้น Stern ได้ แม้ว่าโดยปกติแล้วบริเวณที่เข้าใกล้ขั้วไฟฟ้ามากที่สุดจะถูกครอบครองโดยโมเลกุลของตัวทำละลายก็ตาม สิ่งนี้อาจเกิดขึ้นได้หากไอออนสูญเสียเปลือกการละลายเมื่อเข้าใกล้ขั้วไฟฟ้า เขาเรียกไอออนที่สัมผัสโดยตรงกับขั้วไฟฟ้าว่า "ไอออนที่ถูกดูดซับโดยเฉพาะ" แบบจำลองนี้เสนอการมีอยู่ของสามบริเวณ ระนาบ Helmholtz ภายใน (IHP) ผ่านศูนย์กลางของไอออนที่ถูกดูดซับโดยเฉพาะ ระนาบ Helmholtz ภายนอก (OHP) ผ่านศูนย์กลางของไอออนที่ถูกละลายที่ระยะห่างที่เข้าใกล้ขั้วไฟฟ้ามากที่สุด^{[ 16 ]}สุดท้าย ชั้นกระจายคือบริเวณที่อยู่นอกเหนือ OHP

ในปี พ.ศ. 2506 J. O'M. Bockris , MAV Devanathan และ K.Müller ^{[ 17 ]}ได้เสนอแบบจำลอง BDM ของชั้นคู่ที่รวมการทำงานของตัวทำละลายที่ส่วนต่อประสาน พวกเขาแนะนำว่าโมเลกุลของตัวทำละลายที่ยึดติด เช่น น้ำ จะมีการจัดเรียงตัวที่แน่นอนกับพื้นผิวอิเล็กโทรด ชั้นแรกของโมเลกุลตัวทำละลายนี้แสดงการวางตัวที่แข็งแกร่งต่อสนามไฟฟ้าขึ้นอยู่กับประจุ การวางตัวนี้มีอิทธิพลอย่างมากต่อค่าสภาพยอมของตัวทำละลายซึ่งแปรผันตามความแรงของสนาม IHP ผ่านศูนย์กลางของโมเลกุลเหล่านี้ ไอออนที่ถูกดูดซับโดยเฉพาะและละลายบางส่วนจะปรากฏในชั้นนี้ ไอออนที่ละลายของอิเล็กโทรไลต์อยู่นอก IHP OHP ผ่านศูนย์กลางของไอออนเหล่านี้ ชั้นกระจายคือบริเวณที่อยู่นอกเหนือ OHP

การวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับชั้นคู่บนฟิล์มรูทีเนียมไดออกไซด์ในปี 1971 โดย Sergio Trasatti และ Giovanni Buzzanca แสดงให้เห็นว่าพฤติกรรมทางเคมีไฟฟ้าของอิเล็กโทรดเหล่านี้ที่แรงดันต่ำที่มีไอออนที่ดูดซับเฉพาะนั้นคล้ายกับตัวเก็บประจุ การดูดซับไอออนเฉพาะในบริเวณศักยภาพนี้อาจเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนประจุบางส่วนระหว่างไอออนและอิเล็กโทรดด้วย นับเป็นก้าวแรกสู่การทำความเข้าใจความจุเทียม^{[ 5 ]}

ระหว่างปี พ.ศ. 2518 ถึง พ.ศ. 2523 Brian Evans Conwayได้ทำการวิจัยพื้นฐานและพัฒนา ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมี รูทีเนียมออกไซด์ อย่างกว้างขวาง ในปี พ.ศ. 2534 เขาได้อธิบายความแตกต่างระหว่างพฤติกรรมของ 'ซูเปอร์คาปาซิเตอร์' และ 'แบตเตอรี่' ในการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมี ในปี พ.ศ. 2542 เขาได้บัญญัติศัพท์คำว่าซูเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่ออธิบายความจุที่เพิ่มขึ้นจากปฏิกิริยารีดอกซ์บนพื้นผิวด้วยการถ่ายโอนประจุฟาราเดย์ระหว่างอิเล็กโทรดและไอออน^{[ 18 ] [ 19 ]}

"ซูเปอร์คาปาซิเตอร์" ของเขาเก็บประจุไฟฟ้าไว้บางส่วนในชั้นคู่เฮล์มโฮลทซ์ และบางส่วนเป็นผลจากปฏิกิริยาฟาราเดย์ด้วย "ซูโดคาปาซิเตอร์" ซึ่งเป็นการถ่ายโอนประจุอิเล็กตรอนและโปรตอนระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ กลไกการทำงานของซูโดคาปาซิเตอร์ ได้แก่ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน การแทรกตัว และการดูดซับด้วยไฟฟ้า

พื้นฐานทางกายภาพและคณิตศาสตร์ของการถ่ายโอนประจุอิเล็กตรอนโดยปราศจากพันธะเคมีซึ่งนำไปสู่ความจุเทียมได้รับการพัฒนาโดยRudolph A. Marcusทฤษฎีของ Marcusอธิบายอัตราของปฏิกิริยาการถ่ายโอนอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอัตราที่อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่จากสารเคมีชนิดหนึ่งไปยังอีกชนิดหนึ่งได้ เดิมทีทฤษฎีนี้ถูกกำหนดขึ้นเพื่ออธิบาย ปฏิกิริยา การถ่ายโอนอิเล็กตรอนนอกทรงกลมซึ่งสารเคมีสองชนิดเปลี่ยนแปลงเฉพาะประจุ โดยมีอิเล็กตรอนกระโดด สำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันโดยไม่มีการสร้างหรือทำลายพันธะ ทฤษฎีของ Marcus เข้ามาแทนที่ทฤษฎีสถานะการเปลี่ยนผ่านของHenry Eyringซึ่งได้มาสำหรับปฏิกิริยาที่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง Marcus ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1992 จากทฤษฎีนี้^{[ 20 ]}

มีคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับ DL ที่ส่วนต่อประสานในหนังสือหลายเล่มเกี่ยวกับคอลลอยด์และวิทยาศาสตร์ส่วนต่อประสาน^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}และการขนส่งของไหลระดับไมโครสเกล^{[ 24 ] [ 25 ]}นอกจากนี้ยังมีรายงานทางเทคนิคของ IUPAC ล่าสุด^{[ 26 ]}เกี่ยวกับเรื่องชั้นคู่ที่ส่วนต่อประสานและปรากฏการณ์อิเล็กโทรไคเนติกที่ เกี่ยวข้อง

ตามที่ Lyklema กล่าวไว้ว่า "...เหตุผลของการก่อตัวของชั้นคู่ "ผ่อนคลาย" ("สมดุล") คือความสัมพันธ์ที่ไม่ใช่ไฟฟ้าของไอออนที่กำหนดประจุกับพื้นผิว..." ^{[ 27 ]}กระบวนการนี้ทำให้เกิดการสะสมของประจุไฟฟ้าบนพื้นผิวซึ่งโดยปกติจะแสดงในหน่วย C/m² ^{ประจุ}บนพื้นผิวนี้สร้างสนามไฟฟ้าสถิตซึ่งส่งผลต่อไอออนในของเหลว สนามไฟฟ้าสถิตนี้ เมื่อรวมกับการเคลื่อนที่ทางความร้อนของไอออน จะสร้างประจุตรงข้าม และด้วยเหตุนี้จึงป้องกันประจุไฟฟ้าบนพื้นผิว ประจุไฟฟ้าสุทธิในชั้นกระจายที่ป้องกันนี้มีขนาดเท่ากับประจุสุทธิบนพื้นผิว แต่มีขั้วตรงข้าม ส่งผลให้โครงสร้างทั้งหมดเป็นกลางทางไฟฟ้า

ชั้นกระจายตัว หรืออย่างน้อยบางส่วนของมัน สามารถเคลื่อนที่ได้ภายใต้อิทธิพลของความเค้นสัมผัส มีระนาบการลื่นไถลที่นำมาใช้ตามธรรมเนียมซึ่งแยกของเหลวที่เคลื่อนที่ได้ออกจากของเหลวที่ยังคงยึดติดกับพื้นผิว ศักย์ไฟฟ้าที่ระนาบนี้เรียกว่าศักย์ไฟฟ้าจลน์หรือศักย์ซีตา (เรียกอีกอย่างว่าศักย์ ζ) ^{[ 28 ] [ 29 ]}

ศักย์ไฟฟ้าที่ขอบด้านนอกของชั้นสเติร์นเมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลต์ส่วนใหญ่เรียกว่าศักย์สเติร์นส่วนความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างของเหลวส่วนใหญ่กับพื้นผิวเรียกว่า ศักย์ไฟฟ้าที่พื้นผิว

โดยทั่วไปศักย์ซีตาจะใช้ในการประเมินระดับประจุ DL ค่าลักษณะเฉพาะของศักย์ไฟฟ้าใน DL คือ 25 mV โดยมีค่าสูงสุดประมาณ 100 mV (สูงถึงหลายโวลต์บนอิเล็กโทรด^{[ 25 ] [ 30 ]} ) องค์ประกอบทางเคมีของตัวอย่างที่ศักย์ซีตาเป็น 0 เรียกว่าจุดประจุศูนย์หรือจุดไอโซอิเล็กทริกโดยปกติจะกำหนดโดยค่า pH ของสารละลาย เนื่องจากโปรตอนและไอออนไฮดรอกซิลเป็นไอออนที่กำหนดประจุสำหรับพื้นผิวส่วนใหญ่^{[ 25 ] [ 27 ]}

ศักย์ซีตา สามารถวัดได้โดยใช้กระบวนการอิเล็กโทรโฟเรซิสปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าอะคูสติก ศักย์การไหลและการไหลแบบอิเล็กโทรออสโมติก

ความหนาที่เป็นลักษณะเฉพาะของชั้นเดบาย (DL) คือความยาวเดบาย (κ ⁻¹ ) ซึ่งแปรผกผันกับรากที่สองของความเข้มข้นของไอออน(C ) โดยทั่วไปในสารละลายในน้ำ ความหนาจะมีขนาดเพียงไม่กี่นาโนเมตร และความหนาจะลดลงเมื่อความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้น

ความแรงของสนามไฟฟ้าภายใน DL สามารถมีค่าได้ตั้งแต่ศูนย์ไปจนถึงมากกว่า 10⁹ ^V  /m ความชันของศักย์ไฟฟ้าที่สูงชันเช่นนี้เป็นสาเหตุที่ทำให้ DL มีความสำคัญ

ทฤษฎีสำหรับพื้นผิวเรียบและอิเล็กโทรไลต์สมมาตร^{[ 27 ]}มักเรียกว่าทฤษฎี Gouy-Chapman ซึ่งให้ความสัมพันธ์ง่ายๆ ระหว่างประจุไฟฟ้าในชั้นกระจาย σ ^dและศักยภาพ Stern Ψ ^d : ^{[ 31 ]}

$${\displaystyle \sigma ^{d}=-{\sqrt {{8\varepsilon _{0}}{\varepsilon _{m}}CRT}}\sinh {\frac {F\Psi ^{d}}{2RT}}}$$

ไม่มีวิธีแก้ปัญหาเชิงวิเคราะห์ทั่วไปสำหรับอิเล็กโทรไลต์ผสม พื้นผิวโค้ง หรือแม้แต่อนุภาคทรงกลม อย่างไรก็ตาม มีวิธีแก้ปัญหาเชิงอะซิ้มโทติกสำหรับอนุภาคทรงกลมที่มีประจุต่ำ ในกรณีที่ศักย์ไฟฟ้าเหนือ DL น้อยกว่า 25 mV การประมาณแบบ Debye-Huckel จะใช้ได้ ซึ่งให้สมการต่อไปนี้สำหรับศักย์ไฟฟ้าΨใน DL ทรงกลมเป็นฟังก์ชันของระยะทางrจากศูนย์กลางของอนุภาค:

$${\displaystyle {\Psi }(r)={\Psi ^{d}}{\frac {a}{r}}\exp({-\kappa }(ra))}$$

มีแบบจำลองเชิงอะซิมโทติกหลายแบบที่มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาทางทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับ DL ที่ส่วนต่อประสาน

แบบแรกคือ "DL แบบบาง" แบบจำลองนี้ตั้งสมมติฐานว่า DL นั้นบางกว่ารัศมีของอนุภาคคอลลอยด์หรือรัศมีของท่อแคปิลลารีมาก ซึ่งจำกัดค่าของความยาวเดบายและรัศมีของอนุภาคดังต่อไปนี้: $${\displaystyle \kappa a\gg 1}$$

แบบจำลองนี้ช่วยลดความซับซ้อนได้อย่างมากเมื่อนำไปประยุกต์ใช้กับทฤษฎีการเคลื่อนที่ด้วยไฟฟ้าและปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าอะคูสติก

แบบจำลอง DL แบบบางนั้นใช้ได้กับระบบน้ำส่วนใหญ่ เนื่องจากความยาวเดบายมีเพียงไม่กี่นาโนเมตรในกรณีดังกล่าว แบบจำลองนี้ใช้ไม่ได้เฉพาะกับนาโนคอลลอยด์ในสารละลายที่มีความเข้มข้นของไอออนใกล้เคียงกับน้ำเท่านั้น

แบบจำลอง "DL หนา" ที่ตรงกันข้ามนั้นตั้งสมมติฐานว่าความยาวเดบายมีขนาดใหญ่กว่ารัศมีของอนุภาค:

${\displaystyle \kappa a<1}$

แบบจำลองนี้อาจมีประโยชน์สำหรับนาโนคอลลอยด์บางชนิดและของเหลวที่ไม่มีขั้ว ซึ่งความยาวเดบายมีขนาดใหญ่กว่ามาก

แบบจำลองสุดท้ายนำเสนอ "DL ที่ทับซ้อนกัน" ซึ่งมีความสำคัญในสารแขวนลอยและอิมัลชันที่มีความเข้มข้นสูง เมื่อระยะห่างระหว่างอนุภาคมีขนาดใกล้เคียงกับความยาวเดบาย

ชั้นไฟฟ้าคู่ ( EDL ) เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของศักย์ไฟฟ้าใกล้กับพื้นผิว และมีอิทธิพลอย่างมากต่อพฤติกรรมของคอลลอยด์และพื้นผิวอื่นๆ ที่สัมผัสกับสารละลาย หรือ ตัวนำไอออนเร็วใน สถานะของแข็ง

ความแตกต่างหลักระหว่างชั้นคู่บนอิเล็กโทรดและชั้นคู่บนพื้นผิวสัมผัสคือกลไก การเกิด ประจุบนพื้นผิวในกรณีของอิเล็กโทรด เราสามารถควบคุมประจุบนพื้นผิวได้โดยการใช้ศักย์ไฟฟ้าภายนอก อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้เช่นนี้เป็นไปไม่ได้ในชั้นคู่ของคอลลอยด์และรูพรุน เนื่องจากในอนุภาคคอลลอยด์นั้น เราไม่สามารถเข้าถึงภายในอนุภาคเพื่อใช้ความต่างศักย์ได้

EDL มีลักษณะคล้ายกับชั้น คู่ในพลาสมา

EDL มีพารามิเตอร์เพิ่มเติมที่กำหนดลักษณะเฉพาะของมัน นั่นคือความจุเชิงอนุพันธ์ความจุเชิงอนุพันธ์ ซึ่งแสดงด้วย สัญลักษณ์ Cนั้น อธิบายได้ด้วยสมการด้านล่าง:

${\displaystyle C={\frac {d\sigma }{d\Psi }}}$

โดย ที่ σ คือประจุบนพื้นผิวและ ψ คือศักย์ไฟฟ้าบนพื้นผิว

โดยทั่วไปแล้ว การก่อตัวของชั้นไฟฟ้าคู่ (EDL) ถือว่าเกิดจากการดูดซับและการกระจายตัวของไอออนเป็นหลัก เมื่อพิจารณาข้อเท็จจริงที่ว่าการเกิดประจุไฟฟ้าจากการสัมผัสระหว่างของแข็งกับของแข็งนั้นเกิดจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเป็นหลัก Wang จึงเสนอว่า EDL เกิดขึ้นจากกระบวนการสองขั้นตอน^{[ 32 ]}ในขั้นตอนแรก เมื่อโมเลกุลในสารละลายเข้าใกล้พื้นผิวที่บริสุทธิ์ซึ่งไม่มีประจุบนพื้นผิวมาก่อน อาจเป็นไปได้ว่าอะตอม/โมเลกุลในสารละลายจะทำปฏิกิริยาโดยตรงกับอะตอมบนพื้นผิวของแข็งเพื่อสร้างการทับซ้อนที่แข็งแรงของกลุ่มอิเล็กตรอน การถ่ายโอนอิเล็กตรอนเกิดขึ้นก่อนเพื่อทำให้อะตอม "เป็นกลาง" บนพื้นผิวของแข็งมีประจุ กล่าวคือ การก่อตัวของไอออน ในขั้นตอนที่สอง หากมีไอออนอยู่ในของเหลว เช่น H ⁺และ OH– ^{ไอออน}ลบที่กระจายตัวอย่างหลวมๆ ในสารละลายจะถูกดึงดูดให้เคลื่อนที่ไปยังไอออนที่ยึดติดกับพื้นผิวเนื่องจากปฏิกิริยาทางไฟฟ้าสถิต ทำให้เกิด EDL ขึ้น การถ่ายโอนอิเล็กตรอนและการถ่ายโอนไอออนเกิดขึ้นพร้อมกันที่ส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวและของแข็ง^{[ 33 ]}

ได้มีการศึกษาพลวัตของชั้นไฟฟ้าคู่ (EDL) ที่ส่วนต่อประสานระหว่างอากาศกับอิเล็กโทรไลต์ที่ความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์สูง โดยใช้เทคนิคทางแสงทั้งหมด ในการทดลองเหล่านี้ แนวโน้มของโปรตอน (H₃O⁺) ที่พื้นผิว^ส่วน_ต่อ ประสานระหว่างอากาศกับน้ำถูกรบกวนเกือบจะในทันที และการผ่อนคลายของ EDL ที่เกิดขึ้นภายหลังถูกตรวจสอบโดยใช้สเปกโทรสโกปีการสั่นสะเทือนแบบเวลาละเอียดระดับเฟมโต วินาทีการจัดระเบียบใหม่ของ EDL เกิดขึ้นในระดับเวลาพิโควินาทีและแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์อย่างมากกับความเข้มข้นของไอออน การจำลองพลวัตโมเลกุลแบบไม่สมดุล (MD) และการสร้างแบบจำลองเชิงวิเคราะห์แบบสนามเฉลี่ย โดยอิงจากสมการPoisson–Nernst–Planck ที่ดัดแปลงแล้ว รวมกับสมการการแพร่ของ Smoluchowskiเปิดเผยว่าการนำไฟฟ้าของไอออนเป็นกลไกหลักที่ควบคุมพลวัตของ EDL ผลการทดลองและทฤษฎีที่รวมกันแสดงให้เห็นว่าทฤษฎี Debye–Falkenhagen แบบคลาสสิกสามารถอธิบายการผ่อนคลาย EDL ได้อย่างแม่นยำแม้ที่ความเข้มข้นของไอออนสูง ซึ่งชี้ให้เห็นถึงการประยุกต์ใช้ที่นอกเหนือจากระบอบสารละลายเจือจาง^{[ 34 ]}

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับชั้นไฟฟ้าคู่ (Electrical double layer )

• บริเวณพร่องประจุ (โครงสร้างของรอยต่อสารกึ่งตัวนำ)
• ทฤษฎี DLVO
• ปั๊มอิเล็กโทรออสโมติก
• วิทยาศาสตร์พื้นผิวและคอลลอยด์
• นาโนฟลูอิดิกส์
• สมการปัวซง-โบลต์ซมันน์
• ซูเปอร์คาปาซิเตอร์

• Stillinger, Frank H.; Kirkwood, John G. (1960). "ทฤษฎีของชั้นคู่กระจาย". วารสารเคมีฟิสิกส์ . 33 (5): 1282– 1290. Bibcode : 1960JChPh..33.1282S . doi : 10.1063/1.1731401 . ISSN  0021-9606 .
• Paul C. Hiemenz (1986). หลักการของคอลลอยด์และเคมีพื้นผิว . M. Dekker. ISBN 978-0-8247-7476-9.
• Paul C. Hiemenz; Raj Rajagopalan (18 มีนาคม 1997). หลักการของคอลลอยด์และเคมีพื้นผิว ฉบับที่สาม ปรับปรุงและขยายความ . สำนักพิมพ์ CRC. ISBN 978-0-8247-9397-5.

• ชั้นไฟฟ้าคู่